基于质量控制的空心球冲击防护结构设计方法

技术领域

本发明属于不同质量排布空心球在低速和高速冲击下动力学响应和吸能特性的研究，通过自主调控空心球的质量排布，提高结构防护能力。

背景技术

泡沫材料是孔穴由三维空间填充的多面体结构，凭借本身低密度和高能量吸收特性成为了一种理想的能量吸收材料。金属空心球泡沫作为泡沫材料中的一种，由于其均匀的内部结构、简单的加工工艺和极大的吸能潜力，近年来引起了许多学者的关注，在航空航天、交通工业等各个领域的冲击防护结构设计中得到了广泛应用。

在实际生活中，防护结构通过自身的变形吸收耗散冲击过程中产生的动能，为了有效的保护被防护物的安全，能量吸收过程应该以一种平缓的方式进行，加载应力峰值或加速度脉冲必须控制在一个可以接受的范围内。研究发现，空心球质量在空间上的排布方式对材料的弹性模量以及初始屈服应力等均具有重要的影响。因此，研究如何自主调控质量在空间上的排布方式，从而控制金属空心球泡沫应力峰值，对提高金属空心球泡沫的能量吸收能力和防护性能具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种金属空心球泡沫的不同质量排布方式对其动力学响应和吸能特性影响的理论分析方法，对于已有的金属空心球泡沫，通过改变空间上的质量排布方式，确保在冲击作用下，控制空心球的应力峰值在合理的范围内，从而提高结构的防护能力。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

步骤1：给出不同冲击速度条件下，从冲击端到固定端以不同质量排布的金属空心球泡沫的变形模式；

步骤2：给出不同冲击速度条件下，从冲击端到固定端以不同质量排布的金属空心球泡沫的动力学响应；

步骤3：给出不同冲击速度条件下，从冲击端到固定端以不同质量排布的金属空心球泡沫的能量吸收特性，通过设置不同的质量排布方式，控制金属空心球泡沫的冲击防护能力。

所述步骤1具体是：首先保持外径相同，通过改变内径大小得到壁厚不同的空心球，形成不同质量排布的空心球结构；其次根据空心球泡沫材料的计算模型，利用ANSYS/LS-DYNA软件进行动态变形分析；最后给出均匀金属空心球泡沫在不同冲击速度下的变形模式，分析主要变形阶段。

所述步骤2具体是：利用软件导出相关数据结果，采用公式计算得到名义应力和名义应变，根据名义应力-应变曲线图分析结构每个均匀层的平台应力值，借助本发明建立的经验公式讨论不同质量排布空心球冲击端和固定端的应力响应。

所述步骤3具体是：通过对名义应力-应变曲线进行处理，得到不同质量排布空心球的能量吸收曲线，对比分析不同结构的吸能特性；当冲击速度较低时，可以根据实际情况综合考虑经济性，灵活的选择质量空间排布方式；当冲击速度较高时，通过将壁厚有较大的设置在固定端，得到从冲击端到固定端空心球质量在空间上逐渐增大的金属空心球模型，从而控制空心球的应力峰值和能量吸收率，提高抗冲击能力。

本发明通过设置适当的内外径大小来调控空心球质量在空间上的排布方式，使金属空心球泡沫受到冲击时的应力峰值和能量吸收率可以被控制，提高了结构的防护能力，减少了冲击碰撞现象对被防护物的损害。

附图说明

图1是空心球泡沫材料计算模型示意图；

图2是壁厚逐层增加与逐层减小的质量排布下简单立方排布金属空心球泡沫在50m/s冲击速度下的变形模式；

图3是壁厚逐层增加与逐层减小的质量排布下简单立方排布金属空心球泡沫在50m/s冲击速度下冲击端与固定端的名义应力-应变曲线图；

图4是壁厚逐层增加与逐层减小的质量排布下简单立方排布金属空心球泡沫在50m/s冲击速度下的单位体积能量吸收率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，以简单立方排布金属空心球泡沫为例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

简单立方体空心球泡沫由三层厚度相同、壁厚不同的空心球阵列构成，三层空心球的壁厚分别为h

第一步：建立简单立方排布金属空心球泡沫的有限元模型，设置相关参数，利用ANSYS/LS-DYNA软件对该模型进行动态变形分析。本发明研究了低速、中速和高速即5m/s、50m/s、150m/s三种冲击速度下G

表1不同质量排布下简单立方排布空心球泡沫的动力学响应

第二步：基于单位体积能量吸收率的定义，即

第三步：前两步的讨论表明：本发明可以预测不同冲击速度下金属空心球泡沫的动力学响应和能量吸收情况。在实际应用中，当冲击速度较低时，G

本发明提供的方法，理论预测结果和数值模拟结果保持了良好的一致性，对于质量在空间上具有不同排布方式的空心球泡沫材料的动力学特性优化设计具有一定的理论和实践指导意义。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。