高速?zèng)_擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于二維多孔材料動(dòng)態(tài)緩沖性能測試與評價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高速 沖擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，材料緩沖性能已有的測定方法有：靜態(tài)壓縮試驗(yàn)法[GB8168-2008]、動(dòng)態(tài) 壓縮試驗(yàn)法[GB8167-2008]和能量吸收圖法。靜態(tài)壓縮試驗(yàn)法通過對緩沖材料的類靜態(tài) 壓縮響應(yīng)曲線進(jìn)行處理，得到"緩沖系數(shù)-最大應(yīng)力"曲線。該測定方法的載荷條件是類 靜態(tài)壓縮，而實(shí)際緩沖應(yīng)用中緩沖材料常承受著動(dòng)態(tài)沖擊載荷的作用，例如包裝件在流通 中的跌落沖擊速度會(huì)達(dá)l〇m/s以上，高速行駛的汽車撞擊防護(hù)欄會(huì)達(dá)到50-60m/s，所以 該方法無法做到與實(shí)際沖擊情形相接近。動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)法，是對某種緩沖材料針對多個(gè) 跌落高度和樣品厚度，通過改變重錘質(zhì)量來得到"最大加速度_靜應(yīng)力"曲線。該測試方 法的載荷條件與緩沖應(yīng)用實(shí)際場景相吻合，但存在如下弊端：①為了獲取某一載荷條件 下的緩沖性能，要對同一緩沖材料進(jìn)行不同厚度下的多次測試，數(shù)據(jù)獲取復(fù)雜；②緩沖材 料常是粘滯性材料，沖擊速度或應(yīng)變率影響其緩沖性能，這一方法沖擊過程中的沖擊速度 不斷減小，這樣的載荷條件決定了不能用來研宄沖擊速度或應(yīng)變率對材料緩沖性能的影 響。Maiti等人（MaitiSK,GibsonLJ,AshbyMF.Deformationandenergyabsorption diagramsforcellularsolids.ActaMaterialia.l984,32(2):1963 _ 1975.)提出了多 孔材料能量吸收圖法，能量吸收圖是基于緩沖材料不同應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng) 變曲線而求得的。Gibson和Ashby(GibsonLJ,AshbyMF.Cellularsolids:structure andproperties,SecondEdition.Cambridge,U.K:CambridgeUniversityPress, 1997.) 在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了基于能量吸收圖的緩沖設(shè)計(jì)算法。雖然該方法考慮了多孔材料 的相對密度和應(yīng)變率對緩沖性能的影響，但該方法是從宏觀角度、沖擊速度不高（1? l〇m/S)的情況下認(rèn)為影響材料緩沖性能的因素是相對密度和應(yīng)變率。隨著沖擊速度的 增加（10m/S以上），二維多孔材料共異面沖擊響應(yīng)應(yīng)力會(huì)急劇增加并且波動(dòng)幅度會(huì)越來 越大（DeqiangSun,ffeihongZhang,YanbinWei.Meanout-of-planedynamicplateau stressesofhexagonalhoneycombcoresunderimpactloadings.CompositeStruct ures.2010,92 (11), 2609 - 2621.DeqiangSun,ffeihongZhang.Meanin-planeplateau stressesofhexagonalhoneycombcoresunderimpactloadings[J] ?Composite Structures. 2009, 91 (2)，168 - 185.)。已有測定方法在評價(jià)材料緩沖性能時(shí)，采用"緩沖系 數(shù)"的概念。"緩沖系數(shù)"是指材料在變形過程中某刻的應(yīng)力與此前能量吸收的比值，該值 越小材料緩沖性能越好。利用"緩沖系數(shù)"評價(jià)材料緩沖性能時(shí)，是假設(shè)緩沖材料的響應(yīng)應(yīng) 力隨著應(yīng)變的增加而增加，而高速條件下二維多孔材料沖擊響應(yīng)應(yīng)力不僅急劇增加并且波 動(dòng)幅度越來越大，所以已有方法無法用來評價(jià)高速?zèng)_擊載荷條件下二維多孔材料的緩沖性 能。
[0003] 總之，現(xiàn)有的方法不能用來研宄高速?zèng)_擊載荷條件下沖擊速度、單元構(gòu)型、結(jié)構(gòu)尺 寸等因素對二維多孔材料緩沖性能的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種高速?zèng)_擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方法， 解決了現(xiàn)有方法不能用來研宄高速?zèng)_擊載荷條件下二維多孔材料緩沖性能的問題。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：高速?zèng)_擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方 法，對二維多孔材料進(jìn)行緩沖性能測試，得到響應(yīng)沖擊力位移曲線，然后對沖擊力位移曲線 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線特點(diǎn)建立并計(jì)算最佳單 位體積能量吸收、最佳比能量吸收、沖擊力效率、最小動(dòng)態(tài)緩沖系數(shù)緩沖性能評價(jià)指標(biāo)，實(shí) 現(xiàn)高速?zèng)_擊載荷條件下對二維多孔材料緩沖性能的測定。
[0006] 具體包括以下步驟：
[0007] 步驟1:采用可控速度高速?zèng)_擊試驗(yàn)機(jī)對二維多孔材料樣品在某一沖擊速度V下 進(jìn)行緩沖性能測試試驗(yàn)，記錄沖擊過程中沿沖擊方向上沖擊板的位移U、樣品與沖擊板間的 作用力F，得到響應(yīng)沖擊力位移曲線F-U;
[0008] 步驟2 :對步驟1得到的沖擊力位移曲線F-U進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，樣品沿沖擊方向上 長度為h，橫截面面積為八，則〇 =F/A，e=u/h，得到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力應(yīng)變曲線;
[0009] 步驟3:定義單位體積能量吸收
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 高速?zèng)_擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方法，其特征在于，對二維多孔材料 進(jìn)行緩沖性能測試，得到響應(yīng)沖擊力位移曲線，然后對沖擊力位移曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得 到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線特點(diǎn)建立并計(jì)算最佳單位體積能量吸收、 最佳比能量吸收、沖擊力效率、最小動(dòng)態(tài)緩沖系數(shù)緩沖性能評價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高速?zèng)_擊載荷條 件下對二維多孔材料緩沖性能的測定。
2. 如權(quán)利要求1所述的高速?zèng)_擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方法，其特征在 于，具體包括以下步驟： 步驟1 :采用可控速度高速?zèng)_擊試驗(yàn)機(jī)對二維多孔材料樣品在某一沖擊速度V下進(jìn)行 緩沖性能測試試驗(yàn)，記錄沖擊過程中沿沖擊方向上沖擊板的位移u、樣品與沖擊板間的作用 力F，得到響應(yīng)沖擊力位移曲線F-u ; 步驟2 :對步驟1得到的沖擊力位移曲線F-u進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，樣品沿沖擊方向上長度 為h，橫截面面積為A，則σ =F/A，ε =u/h，得到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力應(yīng)變曲線σ-ε ; 步驟3 :定義單位體積能量吸收
和比能量吸收SEA = e/p % P #為二維多 孔材料樣品密度，由此得到單位體積能量吸收應(yīng)變曲線e- ε，該曲線描述了單位體積的材 料在一定變形程度下能量吸收的大??； 根據(jù)σ-ε曲線的特點(diǎn)，在彈性變形末出現(xiàn)初始峰應(yīng)力〇(|，對應(yīng)初始應(yīng)變ε(ι，平臺區(qū) 變形過程中的應(yīng)力水平值稱為動(dòng)態(tài)峰應(yīng)力σ ρ，樣品密實(shí)化開始時(shí)的應(yīng)變稱為密實(shí)化應(yīng)變 UpFtl分別為F-U曲線上相應(yīng)ε JP ε D的初始位移、密實(shí)化位移、初始峰沖擊力，則 ε 〇= u 〇/h, ε D= u D/h, 〇 〇= F 〇/A
步驟4 :計(jì)算緩沖性能評級指標(biāo)： 二維多孔材料動(dòng)態(tài)緩沖性能的評價(jià)，要考慮應(yīng)力和能量吸收兩因素，根據(jù)步 驟3中σ-ε曲線的特點(diǎn)，其所有動(dòng)態(tài)緩沖性能評價(jià)指標(biāo)如下：指標(biāo)一："最佳單位 體積能量吸收'
^pt值越大說明緩沖性能越好；指標(biāo)二："最佳比能 量吸收
，SEA_值越大說明緩沖性能越好；指標(biāo)三："沖擊 力效率" IFE = σρ/〇 μ IFE值越大說明緩沖性能越好；指標(biāo)四："最小動(dòng)態(tài)緩沖系 數(shù)
> Cdm越小，最佳能量效率越高，緩沖性能 越好。
3. 如權(quán)利要求2所述的高速?zèng)_擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方法，其特征在 于，所述步驟1中二維多孔材料樣品的形狀為長方體形且尺寸足夠大，共面兩個(gè)方向上特 征單元的數(shù)量不小于8,以消除邊界影響。
4. 如權(quán)利要求2所述的高速?zèng)_擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方法，其特征在 于，所述步驟1中沖擊板質(zhì)量足夠大保證沖擊前后速度減小量小于5%。
5. 如權(quán)利要求2所述的高速?zèng)_擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方法，其特征在 于，所述步驟3的σ-ε曲線包含了四個(gè)過程：首先是線彈性變形過程I，在彈性變形末出 現(xiàn)初始峰應(yīng)力σ。，對應(yīng)初始應(yīng)變ε。;然后是屈服階段II，此時(shí)應(yīng)力由初始峰應(yīng)力降至一定 水平值；而后進(jìn)入第三個(gè)階段一一平臺區(qū)階段III，應(yīng)力繞一水平值上下波動(dòng)，該水平值稱 為動(dòng)態(tài)峰應(yīng)力σ ρ;平臺區(qū)變形過程末，變形進(jìn)入密實(shí)化階段IV，密實(shí)化開始時(shí)的應(yīng)變稱為 密實(shí)化應(yīng)變ε D，此時(shí)e-ε曲線開始急劇上升，出現(xiàn)相應(yīng)拐點(diǎn)Pe，此拐點(diǎn)為最佳能量吸收點(diǎn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速?zèng)_擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方法，對二維多孔材料進(jìn)行緩沖性能測試，得到響應(yīng)沖擊力位移曲線，然后對沖擊力位移曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線特點(diǎn)建立并計(jì)算最佳單位體積能量吸收、最佳比能量吸收、沖擊力效率、最小動(dòng)態(tài)緩沖系數(shù)緩沖性能評價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高速?zèng)_擊載荷條件下對二維多孔材料動(dòng)態(tài)緩沖性能的測定。本發(fā)明解決了現(xiàn)有方法不能用來研究高速?zèng)_擊載荷條件下二維多孔材料緩沖性能的問題，無需對不同厚度的樣品進(jìn)行試驗(yàn)，評價(jià)方法簡單，與實(shí)際沖擊載荷相接近，不受曲線幅值波動(dòng)的影響，可用來研究沖擊速度、結(jié)構(gòu)參數(shù)、單元構(gòu)型等因素對二維多孔材料緩沖性能的影響。
【IPC分類】G06F19-00, G01N3-00
【公開號】CN104535407
【申請?zhí)枴緾N201410826164
【發(fā)明人】孫德強(qiáng), 邢月卿, 李國志, 張小強(qiáng), 高芬, 趙建偉
【申請人】陜西科技大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月25日