[发明专利]一种自相似层级多胞材料能量吸收控制方法

摘要

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。

主权项

1.一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：步骤1：通过使用新的更小形状的自相似胞元微结构替代原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；其中，通过调整自相似层级结构因子长度比γi和厚度比ηi的数值，可以控制自相似层级多胞材料的相对密度，从而达到能量吸收效率可控性的目的，γi＝li/l0，li为第i阶胞元的长度，l0为原胞元的长度，ηi＝ti/t0，ti为第i阶胞元的厚度，t0为原胞元的厚度；所设计的层级结构阶数至少为1阶，所替代各胞壁连接点的胞元几何构型与原多胞材料的横断面形状相似；步骤2：引入用于反应自相似层级多胞材料结构敏感性的层级结构影响因子α；具体为，在多胞材料密实化应变的理论值εd的计算公式εd＝1‑Δρ中引入用于反应所述多胞材料结构敏感性的层级结构影响因子α，α＝1.3～1.6，将所述εd的计算公式变为εd＝1‑αΔρ；其中，Δρ＝ρ*/ρs表示自相似层级多胞材料的相对密度，ρ*为自相似层级多胞材料的初始密度，ρs为基体材料的密度；步骤3：引入用于反应自相似层级多胞材料惯性敏感性的速度相关因子f(V)；具体为，将所述ε_d的计算公式ε_d＝1‑αΔρ中引入用于反应自相似层级多胞材料惯性敏感性的速度相关因子f(V)，将所述ε_d的计算公式变为ε_d＝f(V)·(1‑αΔρ)；速度相关因子f(V)与刚性板冲击速度V的大小有关，当V＜v_cr1时，f(V)＝0.6～0.8，当v_cr1≤V≤v_cr2时，f(V)＝0.8～0.9，当v_cr2＜V时，f(V)＝0.9～1，f(V)的取值范围可不连续，其中，v_cr1称为第一临界冲击速度，v_cr2称为第二临界冲击速度，当V＜v_cr1时为低速冲击，当v_cr2＜V时为高速冲击，而中间速度v_cr1＜V＜v_cr2为中等速度冲击，E为自相似层级多胞材料的杨氏模量，σ_ys为基体材料的屈服应力，为准静态压缩时的平台应力；步骤4：通过调节层级结构的阶数、层级结构影响因子和速度相关因子，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；具体为，当结构整体质量或材料空间不变时，通过选择恰当的层级结构的阶数、层级结构影响因子和速度相关因子，调控单位质量或单位体积所吸收的能量，从而提高并控制自相似层级多胞材料的能量吸收效率。