[發明專利]一種能量吸收材料

無效

• 申請號: 201110275499.3
• 申請日: 2011-09-16
• 公開（公告）號: CN102384199A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 何云
• 申請（專利權）人: 何云
• 主分類號: F16F7/12
• 分類號: F16F7/12
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及一種能量吸收材料。

背景技術

能量吸收材料能夠將大部分輸入動能通過塑性變形或者其他轉化過程耗散，避免材料彈性回彈對被保護物品的沖擊損害，對被保護的物品起到防護作用，因此其被廣泛的應用于化工、建筑、交通、航空等領域。

目前，如圖1所示多胞蜂窩結構是一種使用廣泛的能量吸收材料。在此類多胞蜂窩結構中，胞元大小多為均勻。對于胞元厚度較小的多胞蜂窩結構，其在沖擊變形過程中，雖然平臺應力大小會有所增加，但平臺階段的長度減小，并且對應著較大的初始應力峰值，這對于被防護物是不利的。而對于大孔徑多胞蜂窩狀結構能量吸收材料，雖然其能夠延長平臺階段長度和減小初始應力峰值，但其平臺應力值也相應減小，能量吸收效率降低，也不能實現有效的沖擊防護作用。

最近，國內外許多的科學家已經完成了一系列的實驗，研究了密度梯度金屬空心球團的動力學性能。他們的結果表明通過密度梯度的適當設計，材料的能量吸收可以得到控制。但是，梯度、沖擊速度和金屬空心球結構動力學特性之間的關系并沒有確定。此外，由于實驗本身的限制，空心球在高速沖擊條件下的行為并沒有給出。

本文基于數值模擬，分析討論了二維均勻空心球陣列的動力學行為，并且研究了二維密度梯度金屬空心球陣列的能量吸收特性。此外，我們還研究了高速沖擊載荷下梯度和排布模式在空心球陣列動力學響應中所起的作用。我們給出了梯度、沖擊速度和空心球陣列動力學響應之間的關系。

發明內容

本發明目的在于針對現有技術的缺點提供一種有效防護沖擊的能量吸收材料。

本發明為實現上述目的，采用如下技術方案：

一種能量吸收材料，其特征在于：該材料為多層結構，每一層材料由球狀胞元組成，球狀胞元之間呈6邊形排列，胞元的厚度按層呈線性梯度排布。

其進一步特征在于：所述胞元的厚度的梯度變化符合公式T＝T₀(1+αY)，其中T₀為沖擊端的胞元孔徑大小，α為梯度系數，a≠0，Y為當前孔所在層到沖擊端的平均距離，-1＜aY＜1。

通過研究二維球陣列的兩種結構模型分別是四邊形結構和六邊形結構(圖2a和2b)，所有空心球的制造均為薄壁結構，整個陣列不容許有平面外位移。模型等同于將陣列由上下兩塊剛性板夾成的三明治結構，同時平面陣列的周邊邊界也假設為剛性板。

考慮了六種梯度形式，分別命名為G₁₂₃、G₁₃₂、G₂₃₁、G₂₁₃、G₃₁₂和G₃₂₁(圖3)。在這個命名體系中，下標表示從沖擊端開始各層壁厚的順序。數字越大，球的壁厚越厚。使用顯示有限元軟件LS-DYNA來計算分析可以知。G₁₂₃(G₃₂₁)表示一個線性的梯度遞增(遞減)結構。

使用顯示有限元軟件LS-DYNA來計算分析可以知。基于以上設置通過相關文獻中的參數計算兩個球的沖撞。結果顯示，數值模擬結果和文獻中的實驗數據高度一致(圖4)，這證明了本文所采用數值模擬方法的精確性。在圖中，δ表示標準化位移，P表示外荷載，M₀＝σ_yt²/4表示單位長度瞬時全塑性彎曲。其中σ_y表示屈服應力，t表示球壁厚度。

梯度空心球的計算模型在圖2c中給出。在沿著Y方向的沖擊過程中，剛性板以某一初始速度自沖擊端下落，同時在固定端(陣列的底排)加一個剛性邊界。球的基體材料采用鋁，并假設為完全彈塑性材料。楊氏模量、屈服應力和泊松比分別取為E＝69GPa、σ_ys＝76MPa、γ＝0.3。密度ρ_s＝2700kg/m³。此外，在本文的討論中球內空氣的影響忽略不計。