一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法

摘要

本发明提供一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法，其中，方法基于爆炸载荷特性以及复合结构的响应机理，确定负泊松比芯层、面板、背板所采用的材料，并对面板厚度、背板厚度和负泊松比芯层厚度进行设计；同时根据预设的负泊松比效应，对负泊松比芯层的结构进行参数设计；最后根据预设的粘接强度和泡沫体材料压溃强度之间的关系，将填充泡沫体填充至负泊松比芯层中，并与面板和背板共同构成泡沫填充负泊松比复合结构，实现对泡沫填充负泊松比复合结构的设计。该方案实现了填充泡沫体与负泊松比芯层的结合具备轻质性，高强度特性，且在爆炸冲击作用下具备高能量吸收率以及低变形量，不仅仅再是简单复合，提高了材料利用率。

权利要求

1.一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法，其特征在于，包括：

基于爆炸载荷特性以及复合结构的响应机理，确定负泊松比芯层、面板、背板所采用的材料，其中所述负泊松比芯层由多个负泊松比胞元组成；其中，为使爆炸载荷充分透射到芯层结构，进而压溃芯层吸收能量，根据冲击波反射与透射关系，所述面板及背板结构采用不锈钢材料，具备低波阻抗值；所述芯层采用铝合金材料，具备高波阻抗值；

基于爆炸载荷特性，对面板厚度、背板厚度和负泊松比芯层厚度进行设计；其中，基于爆炸载荷特性，根据面板的传递载荷，以及与背板对负泊松比芯层充分压缩的作用，对面板进行厚度设计；基于爆炸载荷特性，根据背板的支撑负泊松比芯层，以及与面板对负泊松比芯层充分压缩的作用，对背板进行厚度设计；基于爆炸载荷特性，根据预设的负泊松比胞元的壁厚与高度关系，以及预设的结构响应要求，设计负泊松比芯层的厚度；

根据预设的负泊松比效应，对所述负泊松比芯层的结构进行参数设计，包括负泊松比胞元类型设计、负泊松比胞元形状尺寸设计、填充泡沫体材料设计；

根据预设的粘接强度和泡沫体材料压溃强度之间的关系，将填充泡沫体填充至负泊松比芯层中，并与面板和背板共同构成泡沫填充负泊松比复合结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负泊松比胞元类型设计，具体为：综合各种负泊松比胞元的易填充性和经济性，选择内六边形的负泊松比胞元作为所述负泊松比芯层的单元。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述负泊松比胞元形状尺寸设计，具体为：所述负泊松比胞元的尺寸包括胞元高度、胞元壁厚度、胞元内凹角，根据所述负泊松比胞元的尺寸构成所述负泊松比胞元的特征参数；

经过准静态压缩试验得负泊松比值与特征参数拟合关系，并选取负泊松比值高的负泊松比胞元结构参数作为负泊松比胞元形状尺寸。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述填充泡沫体材料设计，具体为：根据所述负泊松比胞元结构的压垮应力，确定填充泡沫体材料的压溃应力，即确定填充泡沫体材料的密度设计，实现对填充泡沫体材料的设计。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设的粘接强度和泡沫体材料压溃强度之间的关系，将填充泡沫体填充至负泊松比芯层中，并与面板和背板共同构成泡沫填充负泊松比复合结构步骤之后，还包括：采用有限元分析方法对所述泡沫填充负泊松比复合结构进行分析，校验其性能。

说明书

一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法。

背景技术

[0002] 最新研究表明发现负泊松比效应可增加结构抗冲击强度，通过材料的流动增强吸能能力，可用于车身、防爆围栏等的抗爆设计，但结构失效机理与失效模式复杂，影响因素多。现有研究均只针对空心负泊松比结构，仅利用材料流动以增加吸能与抗冲击能力，空间利用率低，未有研究将泡沫材料与负泊松比效应耦合。泡沫填充蜂窝结构在爆炸冲击作用下会形成更多的胞元壁面屈曲与褶皱，填充泡沫的压垮可增加能量吸收，泡沫填充蜂窝能削弱冲击波幅值。现有研究只进行了泡沫材料与蜂窝结构的简单复合，仅局部冲击区域泡沫材料发生压溃，材料利用率低。

发明内容

[0003] 基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法。

[0004] 一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法，所述方法包括：基于爆炸载荷特性以及复合结构的响应机理，确定负泊松比芯层、面板、背板所采用的材料，其中所述负泊松比芯层由多个负泊松比胞元组成；基于爆炸载荷特性，对面板厚度、背板厚度和负泊松比芯层厚度进行设计；根据预设的负泊松比效应，对所述负泊松比芯层的结构进行参数设计，包括负泊松比胞元类型设计、负泊松比胞元形状尺寸设计、填充泡沫体材料设计；根据预设的粘接强度和泡沫体材料压溃强度之间的关系，将填充泡沫体填充至负泊松比芯层中，并与面板和背板共同构成泡沫填充负泊松比复合结构。

[0005] 在其中一个实施例中，所述基于爆炸载荷特性以及复合结构的响应机理，确定负泊松比芯层、面板、背板所采用的材料，具体为：基于爆炸载荷特性以及复合结构的响应机理，选择高波阻抗材料为负泊松比芯层所用材料，选择较低波阻抗材料作为面板所用材料，选择低波阻抗材料为背板所用材料。

[0006] 在其中一个实施例中，所述基于爆炸载荷特性，对面板厚度、背板厚度和负泊松比芯层厚度进行设计，具体为：基于爆炸载荷特性，根据所述面板的传递载荷，以及与背板对负泊松比芯层充分压缩的作用，对所述面板进行厚度设计；基于爆炸载荷特性，根据所述背板的支撑负泊松比芯层，以及与面板对负泊松比芯层充分压缩的作用，对所述背板进行厚度设计；基于爆炸载荷特性，根据预设的负泊松比胞元的壁厚与高度关系，以及预设的结构响应要求，设计所述负泊松比芯层的厚度。

[0007] 在其中一个实施例中，所述负泊松比胞元类型设计，具体为：综合各种负泊松比胞元的易填充性和经济性，选择内六边形的负泊松比胞元作为所述负泊松比芯层的单元。

[0008] 在其中一个实施例中，所述负泊松比胞元形状尺寸设计，具体为：所述负泊松比胞元的尺寸包括胞元高度、胞元壁厚、胞元内凹角，根据所述负泊松比胞元的尺寸构成所述负泊松比胞元的特征参数；经过准静态压缩试验得负泊松比值与特征参数拟合关系，并选取负泊松比值高的负泊松比胞元结构参数作为负泊松比胞元形状尺寸。

[0009] 在其中一个实施例中，所述填充泡沫体材料设计，具体为：根据所述负泊松比胞元结构的压垮应力，确定填充泡沫体材料的压溃应力，即确定填充泡沫体材料的密度设计，实现对填充泡沫体材料的设计。

[0010] 在其中一个实施例中，所述根据预设的粘接强度和泡沫体材料压溃强度之间的关系，将填充泡沫体填充至负泊松比芯层中，并与面板和背板共同构成泡沫填充负泊松比复合结构步骤之后，还包括：采用有限元分析方法对所述泡沫填充负泊松比复合结构进行分析，校验其性能。

[0011] 上述一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法，通过基于爆炸载荷特性以及复合结构的响应机理，确定负泊松比芯层、面板、背板所采用的材料，并基于爆炸载荷特性，对面板厚度、背板厚度和负泊松比芯层厚度进行设计；同时根据预设的负泊松比效应，对负泊松比芯层的结构进行参数设计；最后根据预设的粘接强度和泡沫体材料压溃强度之间的关系，将填充泡沫体填充至负泊松比芯层中，并与面板和背板共同构成泡沫填充负泊松比复合结构，实现对泡沫填充负泊松比复合结构的设计；实现了泡沫填充负泊松比复合结构的参量全面性，且这样设计的泡沫填充负泊松比复合结构，满足抗爆炸性能设计要求，在爆炸冲击载荷作用下具备低最大变量的同时具备轻质特性以及高能量吸收率特性，可谓防爆桶，防爆围栏，防爆墙体，防爆车辆等的轻量化抗爆炸设计提供有效地解决方法；实现了填充泡沫体与负泊松比芯层的结合具备轻质性，高强度特性，且在爆炸冲击作用下具备高能量吸收率以及低变形量，不仅仅再是简单复合，提高了材料利用率。

附图说明

[0012] 图1为一个实施例中一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法的流程示意图；

[0013] 图2为另一个实施例中一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法的流程示意图；

[0014] 图3为一个实施例中一种泡沫填充负泊松比复合结构的结构示意图；

[0015] 图4是一个实施例中负泊松比胞元的结构示意图；

[0016] 图5为一个实施例中负泊松比值与胞元关系拟合示意图；

[0017] 图6为一个实施例中泡沫填充负泊松比结构与正泊松比结构及其空心结构压缩应力应变情况的对比示意图。

[0018] 附图中，面板1、填充泡沫体2、负泊松比芯层3、背板4，hcell为胞元高度，lcell为胞元长度，tc为胞元壁厚，θ为胞元内凹角。

具体实施方式

[0019] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0020] 本申请提供的一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法，泡沫填充负泊松比复合结构，如图3所示，是一种夹层复合板，一般由四部分组成，即由面板、背板、负泊松比空心蜂窝芯层(即文中的负泊松比芯层)、填充泡沫体部件组成，在爆炸冲击波以及爆轰产物冲击压缩前面板与芯层，负泊松比蜂窝芯层产生负泊松比效应，芯层向冲击中心收缩，在冲击方向与非冲击方向均能压缩填充的泡沫材料，通过芯层的变形以及泡沫材料的压溃吸收爆炸冲击能量。

[0021] 在一个实施例中，如图1所示，提供了一种泡沫填充负泊松比复合结构的设计方法，包括以下步骤：

[0022] S110基于爆炸载荷特性以及复合结构的响应机理，确定负泊松比芯层、面板、背板所采用的材料，其中负泊松比芯层由多个负泊松比胞元组成。

[0023] 具体地，基于爆炸载荷特性以及复合结构的响应机理，确定各层材料特性：爆炸载荷通常指装药在空气中爆炸所形成的冲击波以及爆轰产物，其特点是作用峰值高、作用时间短，为使爆炸载荷充分透射到芯层结构，进而压溃芯层吸收能量，根据冲击波反射与透射关系，面板应采用较低波阻抗材料，芯层采用高波阻抗材料，背板应采用低波阻抗材料。而负泊松比芯层由多个负泊松比胞元组成。

[0024] 在一个实施例中，步骤S110具体为：基于爆炸载荷特性以及复合结构的响应机理，选择高波阻抗材料为负泊松比芯层所用材料，选择较低波阻抗材料作为面板所用材料，选择低波阻抗材料为背板所用材料。具体地，基于爆炸载荷特性以及复合结构的响应机理，确定各层材料特性：爆炸载荷通常指装药在空气中爆炸所形成的冲击波以及爆轰产物，其特点是作用峰值高、作用时间短，为使爆炸载荷充分透射到芯层结构，进而压溃芯层吸收能量，根据冲击波反射与透射关系，面板应采用较低波阻抗材料，芯层采用高波阻抗材料，背板应采用低波阻抗材料。各层波阻抗特性应满足以下公式：

[0025] ρfaceDface≤ρcoreDcore         (1)

[0026] 其中ρface与ρcore分别为面板与芯层的密度；Dface与Dcore分别为面板以及芯层中的冲击波波速。

[0027] S120基于爆炸载荷特性，对面板厚度、背板厚度和负泊松比芯层厚度进行设计。

[0028] 具体地，各层结构进行厚度设计，基于爆炸载荷特性，各层材料特性等对面板厚度、芯层厚度、背板厚度进行设计，确保结构具有高吸能特性且质量较轻。

[0029] 在一个实施例中，步骤S120具体为：基于爆炸载荷特性，根据面板的传递载荷，以及与背板对负泊松比芯层充分压缩的作用，对面板进行厚度设计；基于爆炸载荷特性，根据背板的支撑负泊松比芯层，以及与面板对负泊松比芯层充分压缩的作用，对背板进行厚度设计；基于爆炸载荷特性，根据预设的负泊松比胞元的壁厚与高度关系，以及预设的结构响应要求，设计负泊松比芯层的厚度。具体地，各层结构进行厚度设计，基于爆炸载荷特性，各层材料特性等对面板厚度、芯层厚度、背板厚度进行设计，确保结构具有高吸能特性且质量较轻。具体步骤如下：

[0030] ①确定芯层厚度

[0031] 泡沫填充蜂窝结构整体厚度Hcore与单个胞元高度hcell的关系如下：

[0032] Hcore＝N·hcell          (2)

[0033] 负泊松比效应的有效发生是该结构抗爆炸冲击性能设计的关键点，爆炸载荷作用下芯层在冲击方向应具备一定数量的胞元数量以完成结构响应,根据实验研究，当芯层采用内凹六边形结构时，N取值范围为N≥4。

[0034] 为确保芯层的塑形变形沿胞元传递，即形成结构响应，芯层胞元壁面厚度tc与胞元高度hcell应满足如下关系：

[0035] hcell＝k·tc             (3)

[0036] 当采用常用钢材料时，k取值范围为10.5≤k≤33.2；当采用铝合金材料时，k取值范围为10.5≤k≤15.8，为满足加工以及强度需求芯层壁厚常用范围为0.25mm≤tc≤1mm。

[0037] ②确定面板及背板厚度

[0038] 复合结构在爆炸冲击响应过程中，通过面板将载荷分散传递到芯层结构，背板对芯层结构起到一定的支撑作用，在面板以及背板的共同作用下使芯层充分压缩。面板以及背板不作为结构吸能的主要部件，在满足结构强度设计情况下应主要考虑其轻质性，芯层面密度mc，面板以及背板面密度分别为mf以及mb与芯层面密度比应满足：mf/mc≤0.2，即面板具有较小的质量占比；0.15≤mb/mc≤0.4即背板在满足对芯层的支持强度下减小质量占比，面板与背板厚度可通过获得：

[0039] h＝m/ρ           (4)

[0040] 其中，m为材料面密度，ρ为材料密度由步骤一设计给出。

[0041] S130根据预设的负泊松比效应，对负泊松比芯层的结构进行参数设计，包括负泊松比胞元类型设计、负泊松比胞元形状尺寸设计、填充泡沫体材料设计。

[0042] 具体地，芯层结构参数决定了芯层的负泊松比效应、变形与失效模式，是泡沫填充负泊松比复合结构抗冲击性能的主控因素，包含胞元类型设计、胞元形状尺寸设计、填充泡沫材料设计，需达到最佳负泊松比效应，以及压溃能量吸收率。

[0043] 在一个实施例中，步骤S130中的负泊松比胞元类型设计，具体为：综合各种负泊松比胞元的易填充性和经济性，选择内六边形的负泊松比胞元作为负泊松比芯层的单元。具体地，负泊松比胞元常用二维内凹六边形，双三角形，手性胞元等，根据制作经济性以及胞元易填充性，选取内凹六边形为芯层单元，其形状如图4所示。

[0044] 在一个实施例中，步骤S130中的负泊松比胞元形状尺寸设计，具体为：负泊松比胞元的尺寸包括胞元高度、胞元壁厚度、胞元内凹角，根据负泊松比胞元的尺寸构成负泊松比胞元的特征参数；经过准静态压缩试验得负泊松比值与特征参数拟合关系，并选取负泊松比值高的负泊松比胞元结构参数作为负泊松比胞元形状尺寸。具体地，胞元尺寸包含胞元长度lcell胞元高度hcell，胞元壁厚tc，胞元内凹角θ，胞元特征值可通过以下关系确定：

[0045] ra＝lcell/hcell         (5)

[0046]

[0047] 其中ra胞元长宽比例，rl为胞元内凹比例。结构的负泊松比值可通过下式计算：

[0048]

[0049] 经过准静态压缩试验可获得负泊松比值与特征参数拟合关系，选取高负泊松比值胞元结构参数作为设计参数。

[0050] 在一个实施例中，步骤S130中的填充泡沫体材料设计，具体为：根据负泊松比胞元结构的压垮应力，确定填充泡沫体材料的压溃应力，即确定填充泡沫体材料的密度设计，实现对填充泡沫体材料的设计。具体地，为保证蜂窝结构发生负泊松比效应，根据确定的负泊松比蜂窝胞元结构压垮应力，确定泡沫材料压溃应力即确定泡沫材料密度设计，在爆炸载荷下泡沫密度可采用刚性塑形硬化模型描述，其密度与应力关系如下：

[0051] σcell＝σ0(ρ)+C(ρ)ε/(1‑ε)2   (8)

[0052] 其中，σcell蜂窝胞元的压溃应力，与胞元参数关系如下：

[0053]

[0054] 其中ρ*为芯层结构相对密度，A为多项式拟合函数，由以下关系式确定：

[0055]

[0056] 其中，P为多项式系数，通过拟合压缩实验数据给出，p00＝0.084，p10＝‑3.21，p01＝1.82，p11＝‑0.25，p20＝7.52，p02＝‑2.54，p21＝3.07，p12＝‑2.06，p30＝‑6.12，p03＝1.75[0057] σ0(ρ)为泡沫材料初始压垮应力，C(ρ)为硬化经验参数，ε为泡沫材料应变。试验数据拟合得到初始压垮应力以及硬化经验参数与泡沫基体材料屈服强度关系如下式：

[0058]

[0059] 其中 为泡沫基体材料压溃强度，联立方程(6)、(8)、(9)、(10)、(11)，可给出填充泡沫体选用密度。

[0060] S140根据预设的粘接强度和泡沫体材料压溃强度之间的关系，将填充泡沫体填充至负泊松比芯层中，并与面板和背板共同构成泡沫填充负泊松比复合结构。

[0061] 具体地，需要控制泡沫体与胞元壁面的粘接强度，泡沫体即为填充泡沫体，保证泡沫体与胞元壁面粘接牢固，在壁面屈服以及泡沫压溃过程中不发生脱粘，确保胞元壁面与泡沫体共同发生变形吸能。粘接强度σbond与泡沫体压溃强度应满足如下关系：

[0062] σbond≥τσ0  (12)

[0063] 其中σ0为泡沫材料初始压溃应力，由上述步骤中方程(11)给出，τ为安全系数，取值为1.5‑2。

[0064] 在一个实施例中，如图2所示，步骤S140之后还包括：

[0065] S150采用有限元分析方法对泡沫填充负泊松比复合结构进行分析，校验其性能。

[0066] 具体地，采用有限元分析方法对上述步骤所设计的泡沫填充负泊松比复合结构进行分析，校验其抗爆炸冲击性能。

[0067] 上述实施例中，通过基于爆炸载荷特性以及复合结构的响应机理，确定负泊松比芯层、面板、背板所采用的材料，并基于爆炸载荷特性，对面板厚度、背板厚度和负泊松比芯层厚度进行设计；同时根据预设的负泊松比效应，对负泊松比芯层的结构进行参数设计；最后根据预设的粘接强度和泡沫体材料压溃强度之间的关系，将填充泡沫体填充至负泊松比芯层中，并与面板和背板共同构成泡沫填充负泊松比复合结构，实现对泡沫填充负泊松比复合结构的设计；实现了泡沫填充负泊松比复合结构的参量全面性，且这样设计的泡沫填充负泊松比复合结构，满足抗爆炸性能设计要求，在爆炸冲击载荷作用下具备低最大变量的同时具备轻质特性以及高能量吸收率特性，可谓防爆桶，防爆围栏，防爆墙体，防爆车辆等的轻量化抗爆炸设计提供有效地解决方法。

[0068] 在一个实施例中，对泡沫填充负泊松比复合结构具体包括四部分，其中：

[0069] (1)波阻抗设计

[0070] 根据抗爆炸冲击复合结构波阻抗设计方法，选定各层所用材料。面板及背板结构采用304不锈钢材料，具备低波阻抗值。负泊松比蜂窝芯层采用Al‑3104‑H19铝合金材料，具备高波阻抗值。填充泡沫材料采用硬质聚氨酯泡沫，具备极高的波阻抗值。上述波阻抗匹配可降低透射到背板的冲击波载荷，增加芯层对爆炸冲击能能量的吸收率。

[0071] (2)各层厚度设计

[0072] 基于芯层厚度设计方法，取厚度方向胞元数量N＝7；芯层采用铝合金材料时，取比例系数k＝20，芯层厚度tc＝0.3mm，由此得到胞元厚度hcell＝6mm，芯层厚度Hcore＝42mm。由此得到面板厚度hf＝0.8mm,背板厚度hb＝1.2mm。

[0073] (3)芯层结构参数设计

[0074] 芯层选取内凹六边形为芯层单元，基于图5中的负泊松比值与胞元形状参数关系，选取ra＝1，rl＝0.3的胞元结构，具备较高的负泊松比值，且符合加工工艺需求，由胞元高度hcell、ra、rl、tc可完全确定芯层胞元形状。

[0075] 根据泡沫填充材料设计，芯层采用铝合金材料，泡沫填充采用硬质聚氨酯泡沫材3
料时，计算得到泡沫密度为ρfoam＝0.31g/cm

[0076] (4)复合模式设计

[0077] 基于复合模式设计方法，以及步骤(3)中给出的泡沫材料密度，得到泡沫屈服强度为σ0＝1.54Mpa，取安全系数τ＝1.8，得到粘接强度设计为σbound＝2.77Mpa

[0078] 经过上述设计后，通过有限元分析软件开展对负泊松比泡沫填充结构，以及与其等密度和厚度的空心负泊松比结构、正六边形蜂窝泡沫填充结构、空心正六边形结构的准静态压缩试验，给出应力应变情况对比如图6所示。可见在相同质量下，该方法设计的泡沫填充负泊松比结构能大幅提升压溃应力值，可有效应用于轻质抗爆炸结构设计中，替换常用的空心正六边形蜂窝以及泡沫填充正六边形蜂窝，具备更高的能量吸收效率及抗冲击性能。

[0079] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read‑Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

[0080] 显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

[0081] 以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。