蜂窩結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)壓縮吸能的理論與實(shí)驗(yàn)新進(jìn)展
先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院方岱寧院士課題組提出了考慮母體材料率效應(yīng)的蜂窩結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)面外壓縮平臺(tái)應(yīng)力的理論模型，為蜂窩結(jié)構(gòu)抗沖擊吸能設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。相關(guān)成果2015年11月發(fā)表在復(fù)合材料領(lǐng)域主流期刊Composite Structures (132卷，644-651頁(yè))。
圖1 (a)蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮變形圖和(b)壓縮過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變曲線
蜂窩結(jié)構(gòu)是一種具有優(yōu)良的抗沖擊吸能特性的結(jié)構(gòu)。蜂窩結(jié)構(gòu)在受到面外沖擊載荷的作用下將發(fā)生均勻的塑性變形（如圖1a），從而有效吸收沖擊能量。圖1b給出了典型蜂窩結(jié)構(gòu)在面外壓縮載荷下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可以看出曲線有一個(gè)很長(zhǎng)的平臺(tái)段，而決定蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮變形吸能水平的正式平臺(tái)應(yīng)力的大小與平臺(tái)段的長(zhǎng)度。因此平臺(tái)段應(yīng)力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)抗沖擊吸能設(shè)計(jì)具有很重要的指導(dǎo)意義。
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圖2 本文模型與前人模型對(duì)率相關(guān)平臺(tái)應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比
前人研究表明蜂窩結(jié)構(gòu)面外壓縮平臺(tái)應(yīng)力是與加載速率密切相關(guān)的。平臺(tái)應(yīng)力的率相關(guān)理論模型主要是上世紀(jì)九十年代提出的沖擊理論(Shock Theory)，該模型只考慮了動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程材料的慣性效應(yīng)，而忽略了蜂窩母體材料的率效應(yīng)。本研究將金屬材料的率相關(guān)本構(gòu)引入到?jīng)_擊理論中，提出了考慮母體材料率效應(yīng)的蜂窩結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)面外壓縮平臺(tái)應(yīng)力的理論模型。將理論模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與本文和前人的實(shí)驗(yàn)相比較（圖2），結(jié)果表明，在中低速?zèng)_擊下，母體材料率效應(yīng)對(duì)平臺(tái)應(yīng)力的影響十分顯著，前人模型對(duì)平臺(tái)應(yīng)力的低估甚至能達(dá)到30%以上，而本文模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。由于蜂窩結(jié)構(gòu)防撞設(shè)計(jì)一般多針對(duì)中低速?zèng)_擊，所以本文模型的價(jià)值是十分重大的。在高速?zèng)_擊下，慣性效應(yīng)的影響逐步占據(jù)主導(dǎo)，沖擊理論的預(yù)測(cè)結(jié)果才能與本文模型及實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
本研究的結(jié)論為輕量化抗沖擊吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造提供了理論指導(dǎo)。
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