1、1Kagome形蜂窩芯材共面沖擊載荷下緩沖性能的研究 2一、研究背景及意義一、研究背景及意義1.1 研究意義研究意義l蜂窩材料是一類重要的工程材料，優(yōu)點：相對密度低、比強度高、重量輕、隔音隔熱、滲透性好等。lKagome形蜂窩芯材也可以看作是由六邊形和三角形蜂窩組合而成的蜂窩材料，在材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能方面存在巨大潛力。圖1-1 常見規(guī)則二維多孔材料的構(gòu)型形式3三、三、Kagome形蜂窩芯材的相關(guān)概念形蜂窩芯材的相關(guān)概念（a）結(jié)構(gòu)排列（b）特征單元圖3-1 Kagome蜂窩芯材的結(jié)構(gòu)排列和特征單元其中，X1-X2方向稱為共面方向；垂直于X1-X2方向稱之 為異面方向X3即寬度方向。 結(jié)構(gòu)參數(shù)：結(jié)

2、構(gòu)參數(shù)：邊長l、壁厚t、擴(kuò)展角、寬度b、壁厚邊長比t/l。4圖3-2 Kagome形蜂窩芯材典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 變形階段：變形階段：（1）線彈性階段；（2）屈服階段； （3）平臺區(qū)階段；（4）密實化區(qū)。 曲線下方的積分面積即單位體積能量吸收。 平臺區(qū)階段為其能量吸收的主要階段。 故決定Kagome形蜂窩芯材能量吸收的主要因素是p和D。5四、有限元模型的建立四、有限元模型的建立 4.1 模型建立模型建立圖4-1 Kagome形蜂窩芯材共面沖擊有限元模型 應(yīng)用ANSYS-LS/DYNA建立X1-X2方向上1215的Kagome形蜂窩單元陣列，蜂窩基材為雙線性硬化材料。 設(shè)定深度b=10mm,邊長

3、l=3mm。相關(guān)力學(xué)參數(shù)如下：楊氏模量：Es=68.97GPa；正切模量：Etan=689.7MPa；泊松比：vs=0.35；屈服應(yīng)力：ys=292MPa；密度：=2700kg/m3。64.3 相關(guān)力學(xué)參數(shù)的獲取相關(guān)力學(xué)參數(shù)的獲取（a）F-u曲線（b）能量吸收曲線圖4-2 典型的響應(yīng)曲線 動態(tài)峰應(yīng)力：bLuuWWbLF)(0D0DDp 密實化應(yīng)變： D=uD/H 動態(tài)緩沖系數(shù)：D0DD1TEWWEFtC 單位體積能量吸收：bLHWeDD7l數(shù)據(jù)處理方法： 后處理軟件LSPREPOSTDF-u曲線（力與位移）W-u曲線（功與位移）K-u曲線（動能與位移）EU-u曲線（內(nèi)能與位移）KU-u曲線（總

4、能與位移）初始位移u0積分初始功W0密實化功WD密實化位移uD密實化應(yīng)變能IED初始總能量TE0密實化總能量TED圖4-3 數(shù)據(jù)處理方法示意圖8 Kagome形蜂窩芯材類靜態(tài)變形模式： 蜂窩芯材底部出現(xiàn)X形坍塌帶，同時頂部伴有“一”形 局部坍塌。圖5-2 Kagome蜂窩芯材類靜態(tài)變形模式（t=0.05mm,=40）9六、共面動態(tài)力學(xué)性能的研究六、共面動態(tài)力學(xué)性能的研究 6.1 動態(tài)沖擊下的變形機(jī)理動態(tài)沖擊下的變形機(jī)理l中速沖擊下的變形模式：上壓板與支撐板附近都出現(xiàn)形如“一”形坍塌帶，即雙“一”形坍塌帶。圖6-1 Kagome形蜂窩在v=20m/s沖擊載荷下的變形過程（t = 0.07 mm，

5、= 50） 10l高速沖擊下的變形模式： 僅在上壓板附近出現(xiàn)形如“一”形的坍塌帶。圖6-2 Kagome形蜂窩在v=125m/s沖擊載荷下的變形過程（t = 0.07 mm，= 50）lKagome蜂窩芯材的變形模式：（a）v=3m/s（b）v=20m/s（c）v=125m/s圖6-3 Kagome蜂窩的變形模式116.2 動態(tài)峰應(yīng)力動態(tài)峰應(yīng)力l（1）與沖擊速度的關(guān)系 動態(tài)峰應(yīng)力與速度平方成正比。 動態(tài)峰應(yīng)力與速度關(guān)系： 關(guān)系系數(shù)A與t/l的關(guān)系：圖6-4 不同厚度不同速度下的動態(tài)峰應(yīng)力及相關(guān)系數(shù)曲線（=40）20PAveltdltcltbA)/()/()/(2312表6-1 不同厚度Kago

6、me在不同沖擊速度下的p與關(guān)系系數(shù)A（=40）13圖6-5 p曲線（t=0.05mm）l（2）與擴(kuò)展角的關(guān)系 隨擴(kuò)展角的增大，動態(tài)峰應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大的 趨勢，曲線整體表現(xiàn)為二次曲線關(guān)系： 其中A ，B ，C 為由蜂窩材料和結(jié)構(gòu)參 數(shù)決定的關(guān)系系數(shù)。l 圖中曲線存在最小動態(tài) 峰應(yīng)力點，對應(yīng)的最小擴(kuò) 展角范圍收斂于4060 之間。 CBA2p14圖6-6 p-t/l曲線（=60）l（3）與壁厚邊長比的關(guān)系 動態(tài)峰應(yīng)力與壁厚邊長比呈冪 次方關(guān)系： 從表中可以看出，隨速度增 大，指數(shù)k逐漸趨于1，曲線 也逐漸趨于直線。kltB)/(ysp表6-2 不同沖擊速度下對應(yīng)的關(guān)系系數(shù)B與k（=60）15表

7、6-4 不同壁厚邊長比的Kagome在不同速度下的動態(tài)峰應(yīng)力值（=60）表6-3 不同擴(kuò)展角的Kagome在不同速度下的動態(tài)峰應(yīng)力值（t=0.05mm）16七、能量吸收性能的研究七、能量吸收性能的研究7.1 能量吸收模型能量吸收模型lEd為動態(tài)楊氏模量，即線彈性階段的斜率，則有：l求解簡化曲線的應(yīng)力關(guān)系：（a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線（b）簡化應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖7-1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線（t=0.2mm,=40,v=50m/s）HuHuE/;/;/DD0000d1,0,DDspD0p00p0dEE17l單位體積能量吸收單位體積能量吸收 代入上式得：l緩沖系數(shù)緩沖系數(shù) 代入得：de01, 22,2, 20, 2

8、D2Ds0Dp20dD00p20d020d02dEEeEeEeEeeAtEAFEFtC/111,22, )()2 (),()2 (20,2D2Ds0Dp20dDspD00pd20p020dp00EEECECECC187.2 最小動態(tài)緩沖系數(shù)最小動態(tài)緩沖系數(shù)l蜂窩芯材在進(jìn)入密實化階段后，應(yīng)力急劇增加，材料對能量的吸收要盡可能在進(jìn)入密實化階段之前完成；從圖中可知，最佳能量吸收點即為密實化點D。l最佳單位體積能量吸收： 由于 故：l最小動態(tài)緩沖系數(shù)：圖7-2 緩沖系數(shù)-應(yīng)變曲線（t=0.1mm,=30,v=100m/s）)(2/0Dp20dD EeDDPD/1/eC00DPDe19 即便改變其結(jié)構(gòu)參

9、數(shù)和沖擊環(huán)境，Kagome蜂窩芯材的最小動態(tài)緩沖系數(shù)仍基本保持在0.51.0之間，與傳統(tǒng)六邊形、三角形等蜂窩芯材相比，Kagome形蜂窩芯材擁有較小的CD。表7-1 不同擴(kuò)展角的Kagome在不同沖擊速度下的最小緩沖系數(shù)（t=0.05mm）207.3 最佳單位體積能量吸收最佳單位體積能量吸收l（1）與速度的關(guān)系 隨速度增加而增大，整體呈現(xiàn)二次曲線關(guān)系。圖7-3 eD-v 曲線（=20）表7-2 不同厚度Kagome在不同速度下對應(yīng)的最佳單位體積能量吸收（=20）21表7-3 不同擴(kuò)展角的Kagome在不同速度下的eD(t=0.2mm)l（2）與擴(kuò)展角的關(guān)系 從圖中可以看出，隨擴(kuò)展角的增大，最佳單位體積能量吸收呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；整體呈現(xiàn)二次曲線關(guān)系。l曲線中最佳單位體積能量吸收存在最小值，對應(yīng)的擴(kuò)展角收斂于40 60之間，與之前的結(jié)論相符。圖7-4 eD- 曲線（t=0