具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法

技术领域

本发明涉及结构轻量化设计与抗冲击防护运用技术领域，特别是一种具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法。

背景技术

结构轻量化设计在飞机、高铁车辆、汽车等领域受到越来越多的关注。冲击载荷是一类瞬时作用、危害极大的一类动载荷，会造成结构的严重塑性变形和人员的伤害。结构抗冲击防护设计能够有效地避免冲击载荷下造成严重的生命和财产损失，具有重要的工程应用价值，成为了冲击动力学领域的热点研究方向之一。

典型的结构抗冲击防护设计包括：汽车耐撞性设计、飞行器抗坠毁设计、舰船抗爆设计等。夹心结构是一类优良的轻质结构，具有高比强度、高比刚度及优良的抗冲击防护能力，它是由刚度大的上、下面板和刚度小的中间芯层组成。夹心结构的上、下面板由于刚度较大，能够保障整个结构的强度和承载功能；中间芯层一般采用刚度较小的多孔结构。在冲击载荷作用下，夹心结构的芯层发生大的塑性变形，通过变形耗能吸收大量的冲击能量，从而保障乘员和结构的安全。总的来说，夹心结构提供了一类满足结构承载条件下的轻量化设计方案，同时兼具抗冲击能量吸收，在工程结构领域具有广泛的使用前景。

夹心结构的芯层材料由于具有较轻的质量，能够在遭遇冲击载荷时发生塑性变形吸收能量，其结构设计是提升夹心梁能量吸收特性的核心。蜂窝结构是一类最常用的夹心梁芯层结构，常规使用的蜂窝芯层结构均是由外凸的六边形胞元构成的，该类结构胞元的泊松比为正，在冲击载荷作用下表现为向外膨胀的变形模式。

负泊松比蜂窝结构作为吸能材料具有天然的优势，它能够使得整个结构向内回收，整个结构的韧性更好，且能够利用整体结构吸能，发挥出结构最大的能量吸收特性。

这类外凸的正泊松比胞元构成的蜂窝芯层结构变形模式下能量耗散效率较低，且由于向外碰撞的变形，易造成周围附属结构的挤压破坏。而这类负泊松比蜂窝的一个典型问题是，结构的刚度相对外凸六边形蜂窝的刚度较小、承载能力较弱，很多时候难以满足结构的承载需求。

发明内容

为了更好地利用负泊松比结构的吸能特性，并最大程度降低其承载不足带来的影响，本发明提供了一种具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法，所述夹心梁蜂窝芯层结构包括沿梁的轴线方向设置的多个胞元，每一个所述胞元内接于一个尺寸为L

保持L

作为本发明的进一步改进，所述主要参数的计算方法具体包括以下步骤：

步骤1、确定梁的长度S及沿轴线方向的胞元个数N；

步骤2、将梁的长度S及沿轴线方向的胞元个数N代入下式，计算每一个矩形单元的长度L

步骤3、确定胞元内角θ的变化范围[θ

步骤4、逐步改变胞元内角θ，计算胞元倾斜长度l和水平长度h：

作为本发明的进一步改进，所述矩形单元的长宽比为：

本发明的有益效果是：

1、本发明能够设计得到泊松比可调控且呈连续梯度变化的夹心梁蜂窝芯层结构，此种设计能够极大地发挥负泊松比结构的吸能特性，并最大程度降低其承载不足带来的影响。

2、本发明的设计灵活，可以根据实际情况设计结构的尺寸，包括结构的长度、宽度和高度。可以根据吸收冲击能量的大小，设计胞元的数量和胞元的间距。

3、本发明在承受冲击载荷时能够有效地将冲击能量转化为芯层的塑性变形能，并提供的6种梯度分布设计为实际情况下的冲击防护提供了更加多样的选择。

附图说明

图1为本发明实施例的流程框图；

图2为本发明实施例中六边形蜂窝胞元外凸胞元的结构示意图；

图3为本发明实施例中六边形蜂窝胞元内凹胞元的结构示意图；

图4为本发明实施例中梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层剖面图；

图5为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为负、两侧为正的泊松比结构的立体结构示意图；

图6为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为负、两侧为正的泊松比结构的主视图；

图7为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为负、两侧为零的泊松比结构的立体结构示意图；

图8为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为负、两侧为零的泊松比结构的主视图；

图9为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为正、两侧为负的泊松比结构的立体结构示意图；

图10为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为正、两侧为负的泊松比结构的主视图；

图11为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为正、两侧为零的泊松比结构的立体结构示意图；

图12为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为正、两侧为零的泊松比结构的主视图；

图13为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为零、两侧为正的泊松比结构的立体结构示意图；

图14为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为零、两侧为正的泊松比结构的主视图；

图15为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为零、两侧为负的泊松比结构的立体结构示意图；

图16为通过本发明实施例的设计方法设计出的中部为零、两侧为负的泊松比结构的主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法：是由外凸六边形蜂窝(hexagonal honeycomb)、矩形蜂窝(rectangle honeycomb)胞元和内凹蜂窝(reentrant honeycomb)3种胞元组合而成。对于这种蜂窝设计，用3个参数来定义蜂窝的几何形状，如图2和图3所示，其中θ为胞元内角，h为水平单元长度，l为倾斜单元长度。每个胞元内接在一个尺寸为L

在本实施例中使用的矩形单元长宽比为

设计具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的主要步骤：

(1)确定梁的长度S及沿轴线方向的胞元个数N，如图4所示；

(2)将梁的长度S及沿轴线方向的胞元个数N代入下式，计算矩形单元长度L

(3)确定胞元内角θ的变化范围[θ

(4)逐步改变胞元内角θ，计算胞元倾斜长度l和水平长度h；

(5)根据主要参数设计具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层。

为了更好地利用负泊松比结构的吸能特性，并最大程度降低其承载不足带来的影响，本实施例能够设计得到泊松比可调控且呈连续梯度变化的夹心梁蜂窝芯层结构，此种设计能够极大地发挥负泊松比结构的吸能特性。同时，由于梯度设置能够实现泊松比的变化，该种方法既能增加结构的承载功能，也能避免传统正、负泊松比夹杂蜂窝芯层设计中的界面不连续问题，且设计灵活，可以根据实际情况设计结构的尺寸，包括结构的长度、宽度和高度，以及根据吸收冲击能量的大小，设计胞元的数量和胞元的间距。

梯度泊松比分布的夹心梁蜂窝芯层可以设计成以下6种泊松比分布：(1)中部为负、两侧为正的泊松比结构(Type I)如图5和图6所示；(2)中部为负、两侧为零的泊松比结构(Type II)如图7和图8所示；(3)中部为正、两侧为负的泊松比结构(Type III)如图9和图10所示；(4)中部为正、两侧为零的泊松比结构(Type IV)如图11和图12所示；(5)中部为零、两侧为正的泊松比结构(Type V)如图13和图14所示；(6)中部为零、两侧为负的泊松比结构(Type VI)如图15和图16所示所示。6种泊松比分布构型的整个芯层泊松比均是沿着夹心梁轴向逐步变化，其中Type IV和V结构中的整个结构均为正泊松比，Type II和VI均为负泊松比，Type I和III为正、负泊松比结构。所有6种梯度分布类型能够满足不同使用场景的需要。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。