[发明专利]一种自相似层级多胞材料能量吸收控制方法

说明书

本发明涉及一种自相似层级多胞材料能量吸收控制方法。具体包括：通过使用新的更小形状的自相似胞元微结构替代原传统多胞材料的各胞壁连接点，提出自相似层级多胞材料的设计方法；引入用于反应自相似层级多胞材料动态敏感性的层级结构影响因子；引入用于反应冲击速度与自相似层级多胞材料能量吸收相关性的速度相关因子；通过调节层级结构的阶数、层级结构影响因子和相对密度，控制自相似层级多胞材料的动态承载能力和能量吸收效率。本发明用于控制材料的能量吸收能力，具有较高的比强度、比刚度和动态承载能力，提高了材料的能量吸收效率。

技术领域：

本发明属于材料与结构的能量吸收控制技术领域，特别涉及一种自相似层级多胞材料能量吸收控制方法。

背景技术：

近年来，随着汽车、高速列车、舰船和超高速飞行器等各种运载工具的快速发展以及环境污染问题的日益突出，材料与结构的轻量化设计引起了许多国家和政府的高度关注。在这样的背景下，超轻多胞材料/结构以其卓越的比刚度、比强度以及优异的动力学响应特性在众多工程能量吸收领域得到了广泛应用。然而，在实际工程中，被防护构件往往是在整体质量(或体积)受到一定限制的工况下应用，或者是在确定冲击强度的条件下使用，这就要求在给定冲击条件下尽可能的发挥多胞材料的结构性和能量吸收功能性的优势，提高吸能构件的能量吸收效率，并且能够对多胞材料的能量吸收过程智能化控制，从而实现超轻多胞材料能量吸收智能化和结构可控性自适应设计的目的。根据工程实际需要，对多胞材料进行结构设计，使其更加符合服役环境，充分发挥多胞材料多功能一体化设计的优势。

与实体材料不同，多胞材料的宏观冲击响应主要是由基体材料与微观结构、孔隙相与固体骨架间的非线性动力耦合作用所共同决定的。事实上，真实的胞元微结构才是决定多胞材料宏观动力学性能的关键因素。一般来说，根据其压缩应力-应变关系曲线的形状，多胞材料与结构可分为两种类型：I型吸能结构和II型吸能结构。I型吸能结构的压缩应力-应变曲线相对平坦，具备良好的载荷一致性，结构吸收能量随压缩变形量的增加几乎呈线性变化；而II型吸能结构的压缩应力-应变曲线在经历了一个初始应力峰值后快速下降，载荷一致性较差。大量研究表明，I型吸能结构对构件受到撞击后的能量吸收有利，因而被广泛应用于各种能量吸收构件中。在冲击载荷作用下，塑性坍塌是这类多胞结构的主要失效机制，并导致结构的进一步变形局部化。对于该类多胞结构而言，最大应力首先出现在各胞壁的连接点处(也就是塑性铰发生的位置)。如果在最大应力处引入一个层级结构(比如增加材料或者增加结构)，这样可以减弱微结构变形并使得局部动态应力发生改变，从而增加整体结构的动态承载能力和能量吸收特性，提高被防护构件的安全性。因此，针对确定的工程应用场合(即在整体质量及结构尺寸一定的条件下)，如何选取和设计恰当的层级结构，更好的发挥多胞材料的结构性和能量吸收功能性，对于实现多胞材料的动力学多目标优化设计以及实现其在众多工程领域的应用具有重要的科学指导价值。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种自相似层级多胞材料能量吸收控制方法。对于所设计的自相似层级结构，通过选取层级结构阶数、层级结构影响因子和速度相关因子，使其在受到冲击载荷时，能量吸收过程和所承受的动态承载能力可以有效的控制，进而提高并控制材料的能量吸收能力和吸能效率。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是一种自相似层级多胞材料能量吸收控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：