泡沫夾芯結(jié)構(gòu)受撞擊后的撓度分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種泡沫夾芯結(jié)構(gòu)受撞擊后的撓度分析方法，通過本發(fā)明的一系列公式，計(jì)算上、下面板的速度值，對中點(diǎn)速度值進(jìn)行時(shí)間積分可得到中點(diǎn)的撓度值。根據(jù)計(jì)算出的撓度值，選取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸，使泡沫夾芯結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時(shí)，結(jié)構(gòu)變形最小，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力。
【專利說明】泡沬夾芯結(jié)構(gòu)受撞擊后的撓度分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及夾芯結(jié)構(gòu)撞擊后的變形模式，更具體地，涉及一種泡沫夾芯結(jié)構(gòu)受撞擊后的撓度值分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]夾芯板(殼)是由兩塊高強(qiáng)度的薄表層(承載層)和填充其中用以保證兩塊表層共同工作的輕質(zhì)中間層(芯層)所組成。表層通常采用金屬、復(fù)合材料層板、硬塑料等。芯層可以采用塑料或金屬泡沫、柵格材料、蜂窩鋁、波紋金屬薄片等。這種結(jié)構(gòu)具有重量輕、高能量吸收的特點(diǎn)。因此被廣泛應(yīng)用于航天、航空、軍事、汽車等高科技領(lǐng)域。
[0003]在實(shí)際的應(yīng)用中，被防護(hù)物往往是在要求具有質(zhì)量限制的應(yīng)用場合中或者面對確定的沖擊荷載作用時(shí)被使用，這就要求在同等質(zhì)量情況下，盡可能的降低結(jié)構(gòu)的變形，對被防護(hù)物起到更有效的沖擊防護(hù)作用，并且使吸收能量的過程和效率可以控制，從而實(shí)現(xiàn)多孔材料的多目標(biāo)優(yōu)化。目前輕量化設(shè)計(jì)主要使用夾芯結(jié)構(gòu)。因此，針對確定的應(yīng)用場合，在質(zhì)量及結(jié)構(gòu)尺寸一定的條件下，如何選取和設(shè)計(jì)夾芯結(jié)構(gòu)，在沖擊載荷作用下，更好地減少結(jié)構(gòu)的整體變形，對于實(shí)現(xiàn)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種泡沫夾芯結(jié)構(gòu)受撞擊后的撓度分析方法，對于已有泡沫材料，通過選取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸，使其在受到?jīng)_擊時(shí)，結(jié)構(gòu)變形最小，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0006]一種泡沫夾芯結(jié)構(gòu)受撞擊后的撓度分析方法，包括如下步驟:
[0007]所述夾芯結(jié)構(gòu)包括上、下面板及泡沫夾芯，該結(jié)構(gòu)的撓度分析方法包括如下步驟:
[0008]I)對泡沫夾芯結(jié)構(gòu)受撞擊后的變形狀態(tài)進(jìn)行分析；
[0009]2)根據(jù)所述變形狀態(tài)建立泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的上、下面板的速度模型；
[0010]3)確定影響速度模型的參數(shù)值；
[0011]4)將確定后的參數(shù)值代入所述速度模型中，并對上、下面板的速度模型進(jìn)行時(shí)間積分，得到泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中下面板的中點(diǎn)位移，即其撓度值。
[0012]優(yōu)選地，步驟I)所述變形狀態(tài)為用于描述結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的運(yùn)動三相，所述運(yùn)動三相分別為運(yùn)動第一相，運(yùn)動第二相和運(yùn)動第三相；
[0013]所述運(yùn)動第一相:一個(gè)塑性鉸在t = O時(shí)在撞擊點(diǎn)產(chǎn)生，并分別從跨中點(diǎn)向兩個(gè)固定端傳播，當(dāng)塑性鉸傳播到固定端時(shí)，第一相結(jié)束；
[0014]所述運(yùn)動第二相:當(dāng)上面板的速度比下面板速度大時(shí)，上面板繼續(xù)減速，而下面板繼續(xù)加速，直到達(dá)到共同速度，或芯材達(dá)到致密化，第二相結(jié)束；
[0015]所述運(yùn)動第三相，泡沫夾芯結(jié)構(gòu)發(fā)生整體變形，以共同速度減速，直至梁和撞擊物靜止為止。
[0016]優(yōu)選地，步驟2)所述速度模型為運(yùn)動第一相、運(yùn)動第二相和運(yùn)動第三相中上、下面板的速度模型。
[0017]優(yōu)選地，步驟3)所述參數(shù)包括上、下面板的單位長度質(zhì)量，上面面板的彎矩，面板中點(diǎn)的壓縮應(yīng)變。
[0018]優(yōu)選地，步驟4)所述的對速度模型進(jìn)行時(shí)間積分指對運(yùn)動第一相、運(yùn)動第二相和運(yùn)動第三相中的上、下面板的速度模型分別進(jìn)行時(shí)間積分。
[0019]優(yōu)選地，所述參數(shù)由如下公式計(jì)算得到:
[0020]上、下面板的單位長度質(zhì)量
[0021]將芯材簡化為完全塑性彈簧，彈簧連接上、下面板，上、下面板單位長度質(zhì)量分別為:
[0022]mf = P fbhf+ P cbC/2, mb = P bbhb+ P cbC/2, (I)
[0023]式中hf表不上面板厚度，hb表不下面板厚度，C表不芯材的厚度；b為夾芯結(jié)構(gòu)的寬度；P f表不上面板的密度，Pb表不下面板的密度，P。表不芯材的密度。 [0024]上面面板的彎矩，
[0025]簡化后的上、下面板彎矩分別為:
【權(quán)利要求】
1.一種泡沫夾芯結(jié)構(gòu)受撞擊后的撓度分析方法，其特征在于，所述夾芯結(jié)構(gòu)包括上、下面板及泡沫夾芯，該結(jié)構(gòu)的撓度分析方法包括如下步驟: 1)對泡沫夾芯結(jié)構(gòu)受撞擊后的變形狀態(tài)進(jìn)行分析； 2)根據(jù)所述變形狀態(tài)建立泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的上、下面板的速度模型； 3)確定影響速度模型的參數(shù)值； 4)將確定后的參數(shù)值代入所述速度模型中，并對上、下面板的速度模型進(jìn)行時(shí)間積分，得到泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中下面板的中點(diǎn)位移，即其撓度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓度分析方法，其特征在于:步驟I)所述變形狀態(tài)為用于描述結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的運(yùn)動三相，所述運(yùn)動三相分別為運(yùn)動第一相，運(yùn)動第二相和運(yùn)動第三相； 所述運(yùn)動第一相:一個(gè)塑性鉸在t = O時(shí)在撞擊點(diǎn)產(chǎn)生，并分別從跨中點(diǎn)向兩個(gè)固定端傳播，當(dāng)塑性鉸傳播到固定端時(shí)，第一相結(jié)束； 所述運(yùn)動第二相:當(dāng)上面板的速度比下面板速度大時(shí)，上面板繼續(xù)減速，而下面板繼續(xù)加速，直到達(dá)到共同速度，或芯材達(dá)到致密化，第二相結(jié)束； 所述運(yùn)動第三相，泡沫夾芯結(jié)構(gòu)發(fā)生整體變形，以共同速度減速，直至梁和撞擊物靜止為止。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓度分析方法，其特征在于:步驟2)所述速度模型為運(yùn)動第一相、運(yùn)動第二相和運(yùn)動第三相中上、下面板的速度模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓度分析方法，其特征在于:步驟3)所述參數(shù)包括上、下面板的單位長度質(zhì)量，上面面板的彎矩，面板中點(diǎn)的壓縮應(yīng)變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓度分析方法，其特征在于:步驟4)所述的對速度模型進(jìn)行時(shí)間積分指對運(yùn)動第一相、運(yùn)動第二相和運(yùn)動第三相中的上、下面板的速度模型分別進(jìn)行時(shí)間積分。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的撓度分析方法，其特征在于:所述參數(shù)由如下公式計(jì)算得到: 將芯材簡化為完全塑性彈簧，彈簧連接上、下面板，上、下面板單位長度質(zhì)量分別為:
mf = P fbhf+ P cbC/2, mb = P bbhb+ P cbC/2, (I) 式中1^表75上面板厚度，hb表下面板厚度,C表芯材的厚度；b為夾芯結(jié)構(gòu)的寬度；Pf表不上面板的密度，Pb表不下面板的密度，P。表不芯材的密度； 上面面板的彎矩， 簡化后的上、下面板彎矩分別為: Mfo - Mr + Mv !2- <Tvhlrf / 4 + Mc / 2(2a) Um =Mh+ M1- / 2 = σβξ / 4 + Mc / 2(2b) 式中Mf表示上面板的彎矩，Mb表示下面板的彎矩，σ y表示面板的屈服強(qiáng)度，b為夾芯結(jié)構(gòu)的寬度；M。表示芯材的彎矩M。= OyeC2(1-Eni)VlS* σ y。表示芯材的屈服強(qiáng)度；面板整體中點(diǎn)的壓縮應(yīng)變ε m = Wf — Wb I /C (3) ε m表示面板整體中點(diǎn)的壓縮應(yīng)變，Wf表示上面板的中點(diǎn)撓度，Wb表示下面板的中點(diǎn)撓度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的撓度分析方法，其特征在于:所述運(yùn)動第一相、運(yùn)動第二相和運(yùn)動第三相中上、下面板的速度模型為下述公式: 運(yùn)動第一相，上、下面板的速度模型分別為
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的撓度分析方法，其特征在于:在所述第一相時(shí)，根據(jù)時(shí)間積分求得的上、下面板撓度值，如果|wfi+wbi|/C> ε D即芯材達(dá)到致密化，直接進(jìn)入第三相；eD表示鎖定應(yīng)變； 在第二相時(shí)，當(dāng)芯材達(dá)到致密化，即|wfi—wbi|/C≥ε D或上、下面板的速度一致時(shí)(f-K- = K )，第二相結(jié)束，ε D表示鎖定應(yīng)變; 在第三相時(shí)，當(dāng)乂 = <時(shí)，或芯材發(fā)生致密化，整個(gè)梁作為一個(gè)整體進(jìn)行變形，上面板和下面板沒有相對運(yùn)動。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的撓度分析方法，其特征在于:在第三相當(dāng)梁和撞擊物靜止時(shí)，剩余動能全部耗散于位于兩個(gè)固定端和中點(diǎn)的駐定塑性鉸中。
10.權(quán)利要求1所述的撓度分析方法用于控制結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力，其特征在于:夾芯結(jié)構(gòu)的尺寸和材料強(qiáng)度確定時(shí)，受到質(zhì)量沖擊后的撓度可以積分得到，通過改變結(jié)構(gòu)尺寸和材料強(qiáng)度，使得計(jì)算的撓度值最小，從而實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力。
【文檔編號】G01M5/00GK103954416SQ201410177798
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】劉穎, 姜文征 申請人:北京交通大學(xué)