梯度多孔材料能量吸收能力的控制方法

摘要

本发明公开了多孔材料能量吸收控制技术领域中的一种梯度多孔材料能量吸收能力的控制方法，用于控制梯度多孔材料受到冲击时的能量吸收过程和承受的应力水平。该方法包括：引入用于反应冲击速度与梯度多孔材料能量吸收相关性的速度相关因子；引入与冲击方向位移相关的函数；通过调节相对密度，控制梯度多孔材料的能量吸收能力。本发明提供了梯度多孔材料相对密度的梯度设计方法，控制材料的能量吸收能力，提高材料的能量吸收效率。

说明书

技术领域

本发明属于多孔材料能量吸收控制技术领域，尤其涉及一种梯度多孔材料 能量吸收能力的控制方法。

背景技术

在化工、建筑、交通等众多领域中，多孔材料的能量吸收功能得到广泛的 应用。在实际的应用中，被防护物往往是在要求具有质量限制的应用场合中或 者面对确定的冲击荷载作用时被使用，这就要求在发挥多孔材料所具有的能量 吸收功能的过程中，尽可能的提高多孔材料的能量吸收效率，对被防护物起到 更有效的冲击防护作用，并且使吸收能量的过程和效率可以控制，从而实现多 孔材料的多目标优化。根据实际应用对多孔材料进行设计，能更加符合应用环 境，使得多孔材料能量吸收功能得到更有效的利用。

在申请号为200920270168.9的实用新型专利《能量吸收结构》中已经提出 了一种功能梯度多孔材料。此材料通过对胞元几何尺寸(胞元半径、胞元壁厚 等)的控制来控制材料相对密度沿一定方向的梯度变化，进而使得材料的承载 能力变成了一个可控的空间变量而不再是一个恒定值。研究结果表明，通过材 料梯度的调整，可以控制材料的能量吸收过程(变形前程或是后程)，进而对传 入被保护结构的应力水平进行控制，提高被保护结构的安全性。因此，在实际 应用中，针对确定的应用场合，在质量及结构尺寸一定的条件下，如何选取和 设计材料梯度，更好地发挥梯度多孔材料的能量吸收功能，对于实现梯度多孔 材料的多目标优化设计有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种梯度多孔材料能量吸收能力的控制方法，对 于已有梯度多孔材料，通过选取适当的相对密度梯度，使其在受到冲击时，能 量吸收过程和承受的应力水平可以控制，进而提高能量吸收能力和效率。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种梯度多孔材料能量吸收 能力的控制方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：引入用于反应冲击速度与梯度多孔材料能量吸收相关性的速度相关 因子；

步骤2：引入与冲击方向位移相关的函数；

步骤3：通过调节相对密度，控制梯度多孔材料的能量吸收能力。

所述步骤1具体是在密实应变的理论值ε_d的计算公式ε_d＝1-ρ^*/ρ_s中引入 反应冲击速度与梯度多孔材料能量吸收相关性的速度相关因子f(v)，将密实应变 的理论值ε_d的计算公式变为ε_d＝f(v)·(1-ρ^*/ρ_s)；其中，v为冲击速度。

所述步骤2具体是在梯度多孔材料相对密度Δρ的计算公式中引入与冲击方 向位移相关的函数，使梯度多孔材料相对密度Δρ的计算公式变为 Δρ＝ρ^*·g(y)；其中，y是冲击方向上的位移，ρ^*为多孔材料的相对密度。

所述步骤3具体是，当冲击产生的最大应力确定时，通过选取与冲击方向 位移相关的函数，确定梯度多孔材料的相对密度，从而得到可控的应力平台长 度，控制梯度多孔材料的能量吸收能力。

所述步骤3具体是，当材料空间不变时，通过调整梯度多孔材料相对密度 的梯度变化，调控单位体积和单位质量所吸收的能量，从而控制梯度多孔材料 的能量吸收能力。

本发明通过选取适当的梯度多孔材料相对密度的梯度，使梯度多孔材料受 到冲击时的能量吸收过程和承受的应力水平可以被控制，提高了能量吸收能力 和效率。

附图说明

图1是梯度多孔材料相对密度的梯度计算模型示意图；

图2是梯度多孔材料单位质量的能量吸收率-应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅 是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

通过大量数值计算分析与实际工程的应用表明，梯度多孔材料的平台应力 值与冲击速度有关。根据一维冲击波理论，多孔材料动态冲击应力与冲击速度 的简单关系式为

${\sigma }_p={\sigma }_0+\frac{{\rho }^{*}{v}^2}{{ϵ}_d}={\sigma }_0+A{v}^2---\left(1\right)$

ε_d＝1-ρ^*/ρ_s    (2)

其中，σ_p为梯度多孔材料受到冲击压缩后产生的平台应力，σ₀为梯度多孔 材料准静态的平台应力，A＝ρ^*/ε_d，密实应变的理论值ε_d由多孔材料孔隙率决 定。Δρ＝ρ^*/ρ_s表示梯度多孔材料相对密度，ρ^*为多孔材料密度，ρ_s为基体密 度。

由计算可知，冲击应力和应变与冲击速度相关，因此，我们引入速度相关 因子f，反应冲击速度与梯度多孔材料能量吸收的相关性。即

ε_d＝f(v)·(1-ρ^*/ρ_s)          (3)

其中，速度相关因子f(v)与冲击速度相关，低速时f(v)＝0.6～0.7，中速时 f(v)＝0.7～0.85，高速时f(v)＝0.85～0.95，f(v)取值范围可不连续。

不同胞元块胞元的相对密度沿冲击方向呈梯度变化，即

Δρ＝ρ^*·g(y)                   (4)

其中，g(y)为与冲击方向位移相关的函数，y是冲击方向上的位移。g(y) 的形式多样，可为线性也可是非线性。通过函数g(y)的改变，来控制相对密度Δρ 的变化，使相对密度呈梯度变化，从而控制该梯度多孔材料的承载能力。

将公式(2)、(3)、(4)代入(1)，得到应力

${\sigma }_p={\sigma }_0+\frac{{\rho }^{*}{v}^2}{f\left(v\right)·[1-{\rho }^{*}·g\left(y\right)]}={\sigma }_0+\frac{\mathrm{\Delta \rho }·v^2}{g\left(y\right)·f\left(v\right)(1-\mathrm{\Delta \rho })}---\left(5\right)$

由公式(5)可知，应力σ_p与梯度多孔材料的属性、冲击速度以及相对密度 的梯度相关。

由于不同相对密度胞元对应的临界破坏力不同，由不同相对密度胞元组成 的梯度多孔材料，各部分的变形使得梯度多孔材料的响应表现出分段特性。分 段平台相对长度为

ΔS_i＝(1-Δρ)·ΔL_i＝ε_d·L_i/L    (6)

分段平台的长度可根据不同组成部分的长度相对于结构沿受冲击方向的长 度的比值与试件孔隙率的乘积来确定。其中，相对长度ΔL_i＝L_i/L，L_i为第i层 胞元块长度，L为总厚度。

由上可知，基于已有模型(如图1所示，其中L₁、L₂分别表示材料原有结 构尺寸，v表示冲击速度，1表示冲击压缩面，2表示固定面)，通过数值计算， 可以确定梯度多孔材料单位质量的能量吸收率

$W_M=\frac{W_V}{\mathrm{\Delta \rho }·{\rho }_S},---\left(7\right)$

其中W_V为单位体积所吸收的能量，即

$W_V={\int }_0^{{ϵ}_d}\sigma \left(ϵ\right)\mathrm{dϵ},---\left(8\right)$

如图2所示。

基于公式(5)，本发明所提出的方法能够根据实际工程需要完成对梯度多 孔材料的设计：

第一：在已知所使用的多孔材料的属性时，即相对密度Δρ和与冲击方向位 移相关的函数f(y)均为已知，通过公式(5)计算，可以对材料的应力、应变以 及能量吸收能力进行准确预测；

第二：实际应用中，当梯度多孔材料的应用场合受到已有工况的限制时， 如冲击产生的最大应力σ_max已知时，可以通过选取适当的与冲击方向位移相关的 函数f(y)，确定材料的相对密度Δρ，从而得到可控的应力响应和应力平台长度， 在有效的控制能量吸收的过程中，同时满足最大应力要求；

第三：在结构空间尺寸大小受到限制的应用场合，为了满足空间要求，同 时控制材料压缩应力σ在最大许用应力范围内，可通过公式(5)选择相对密度 的大小及材料的梯度排布，在保证满足结构空间尺寸的限制下，增加单位质量 所吸收的能量，提高能量吸收效率。

本发明提供的方法，计算结果与理论值的有效误差在20％以内，可以有效地 用于梯度多孔材料的梯度设计。在实际工程应用中，为实现梯度多孔材料梯度 及能量吸收的多目标优化设计提供了理论依据和有效的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权利要求的保护范围为准。