高速沖擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于二維多孔材料動態(tài)緩沖性能測試與評價技術(shù)領域，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)壓縮試驗法[GB8168-2008]、動態(tài) 壓縮試驗法[GB8167-2008]和能量吸收圖法。靜態(tài)壓縮試驗法通過對緩沖材料的類靜態(tài) 壓縮響應曲線進行處理，得到"緩沖系數(shù)-最大應力"曲線。該測定方法的載荷條件是類 靜態(tài)壓縮，而實際緩沖應用中緩沖材料常承受著動態(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達l〇m/s以上，高速行駛的汽車撞擊防護欄會達到50-60m/s，所以 該方法無法做到與實際沖擊情形相接近。動態(tài)壓縮試驗法，是對某種緩沖材料針對多個 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_靜應力"曲線。該測試方 法的載荷條件與緩沖應用實際場景相吻合，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行不同厚度下的多次測試，數(shù)據(jù)獲取復雜；②緩沖材 料常是粘滯性材料，沖擊速度或應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變率條件下的動態(tài)壓縮應力應 變曲線而求得的。Gibson和Ashby(GibsonLJ,AshbyMF.Cellularsolids:structure andproperties,SecondEdition.Cambridge,U.K:CambridgeUniversityPress, 1997.) 在此基礎上詳細介紹了基于能量吸收圖的緩沖設計算法。雖然該方法考慮了多孔材料 的相對密度和應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)的情況下認為影響材料緩沖性能的因素是相對密度和應變率。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應力會急劇增加并且波動幅度會越來 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材料緩沖性能時，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)"評價材料緩沖性能時，是假設緩沖材料的響應應 力隨著應變的增加而增加，而高速條件下二維多孔材料沖擊響應應力不僅急劇增加并且波 動幅度越來越大，所以已有方法無法用來評價高速沖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沖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沖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沖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：高速沖擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方 法，對二維多孔材料進行緩沖性能測試，得到響應沖擊力位移曲線，然后對沖擊力位移曲線 進行標準化處理得到相應標準化應力應變曲線，根據(jù)應力應變曲線特點建立并計算最佳單 位體積能量吸收、最佳比能量吸收、沖擊力效率、最小動態(tài)緩沖系數(shù)緩沖性能評價指標，實 現(xiàn)高速沖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:采用可控速度高速沖擊試驗機對二維多孔材料樣品在某一沖擊速度V下 進行緩沖性能測試試驗，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進行標準化處理，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，得到相應標準化應力應變曲線;
[0009] 步驟3:定義單位體積能量吸收
【主權(quán)項】
1. 高速沖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 進行緩沖性能測試，得到響應沖擊力位移曲線，然后對沖擊力位移曲線進行標準化處理得 到相應標準化應力應變曲線，根據(jù)應力應變曲線特點建立并計算最佳單位體積能量吸收、 最佳比能量吸收、沖擊力效率、最小動態(tài)緩沖系數(shù)緩沖性能評價指標，實現(xiàn)高速沖擊載荷條 件下對二維多孔材料緩沖性能的測定。
2. 如權(quán)利要求1所述的高速沖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 :采用可控速度高速沖擊試驗機對二維多孔材料樣品在某一沖擊速度V下進行 緩沖性能測試試驗，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進行標準化處理，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，得到相應標準化應力應變曲線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，在彈性變形末出現(xiàn)初始峰應力〇(|，對應初始應變ε(ι，平臺區(qū) 變形過程中的應力水平值稱為動態(tài)峰應力σ ρ，樣品密實化開始時的應變稱為密實化應變 UpFtl分別為F-U曲線上相應ε JP ε D的初始位移、密實化位移、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 :計算緩沖性能評級指標： 二維多孔材料動態(tài)緩沖性能的評價，要考慮應力和能量吸收兩因素，根據(jù)步 驟3中σ-ε曲線的特點，其所有動態(tài)緩沖性能評價指標如下：指標一："最佳單位 體積能量吸收'
^pt值越大說明緩沖性能越好；指標二："最佳比能 量吸收
，SEA_值越大說明緩沖性能越好；指標三："沖擊 力效率" IFE = σρ/〇 μ IFE值越大說明緩沖性能越好；指標四："最小動態(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所述的高速沖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所述的高速沖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所述的高速沖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)初始峰應力σ。，對應初始應變ε。;然后是屈服階段II，此時應力由初始峰應力降至一定 水平值；而后進入第三個階段一一平臺區(qū)階段III，應力繞一水平值上下波動，該水平值稱 為動態(tài)峰應力σ ρ;平臺區(qū)變形過程末，變形進入密實化階段IV，密實化開始時的應變稱為 密實化應變ε D，此時e-ε曲線開始急劇上升，出現(xiàn)相應拐點Pe，此拐點為最佳能量吸收點。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速沖擊條件下二維多孔材料緩沖性能的測定方法，對二維多孔材料進行緩沖性能測試，得到響應沖擊力位移曲線，然后對沖擊力位移曲線進行標準化處理得到相應標準化應力應變曲線，根據(jù)應力應變曲線特點建立并計算最佳單位體積能量吸收、最佳比能量吸收、沖擊力效率、最小動態(tài)緩沖系數(shù)緩沖性能評價指標，實現(xiàn)高速沖擊載荷條件下對二維多孔材料動態(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沖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行試驗，評價方法簡單，與實際沖擊載荷相接近，不受曲線幅值波動的影響，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, 邢月卿, 李國志, 張小強, 高芬, 趙建偉
【申請人】陜西科技大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月25日