非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法技术

本发明专利技术公开了一种非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法，基于数值仿真软件生成的网格节点位移场，采用基于最小二乘法离散局部变形梯度的局部应变场计算方法，采用连续介质力学计算方法对Green应变张量转化为工程应变张量，通过八面体等效应变计算方法，确定非平面波阵面位置，从而解决多胞材料内部非平面波的识别问题，为泡沫宏观结构呈现复杂结构或者载荷非单一方向等一般应用环境下的非平面波波阵面识别提供了较准确的计算方法，同时为非平面波阵面在胞孔材料中的传播规律认识提供了有力工具和奠定了研究基础。该发明专利技术可应用于航空航天、军事防护、汽车制造、产品包装等抗爆抗冲击防护设计的基础科学研究和工程设计。

【技术实现步骤摘要】
非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法
本专利技术涉及多胞材料冲击波波阵面识别
，尤其涉及一种在爆炸或冲击条件下非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法。
技术介绍
多胞材料作为冲击防护类缓冲材料，广泛应用于航空航天、军事防护、汽车制造、产品包装等，冲击波在多胞材料中的传播规律对于抗爆抗冲击防护设计不仅具有基础科学研究意义，而且对于军事和民用防护也有重要指导意义，而冲击波波阵面在多胞材料这类非连续介质中的识别技术是该领域研究的重要课题。目前在多胞材料冲击波波阵面识别
，分为两条路线。第一条路线是实验手段，如附图1所示，通过高速摄影拍摄多胞材料试件在动态压缩下的高速图像，然后通过DIC数字相关技术进行分析，得到试件表面的应变分布场，根据应变突跃位置，确定波阵面位置；第二条路线是数值仿真+理论计算，基于实验手段无法获取试件内部应变分布场，采用多胞材料细观数值模拟方法，获取冲击条件下的单元节点处的位移场数据，再采用基于最小二乘法离散局部变形梯度的局部应变场计算方法，得到节点处的Green应变张量，并通过连续介质力学转化为冲击方向的应变，从而识别应变突跃位置，确定波阵面位置。以上多胞材料冲击波波阵面识别
的两条路线中，第一条的实验路线受限于高速摄影只能拍摄试件外表面动态变形，对内部变形及冲击波波阵面的形态无法获取；第二条的数值仿真+理论计算路线只能识别多胞材料中的平面冲击波波阵面，由于只考虑了正应变分量而未涉及剪应变分量，因此非平面波无法识别或界面识别不准确。基于此，本专利技术的提出是为了解决多胞材料内部非平面波的识别问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法。为了实现上述目的，本公开提供一种非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法，包括：通过细观数值仿真方法，建立多胞材料的数值仿真模型，并开展爆炸或冲击条件下的动态数值模拟；通过局部应变场计算方法，得到多胞材料的局部应变场；采用连续介质力学计算方法，将Green应变张量转化为工程应变张量；通过八面体等效应变计算方法，得到材料各节点所组成的八面体等效应变场，并通过软件确定非平面波阵面位置。可选地，多胞材料构建有限元模型，在指定的材料宏观区域Π0内按照均匀概率分布散布N个成核点，并且控制成核点间的距离δ不小于给定的距离δmin；通过MATLAB软件生成胞棱、胞面几何信息，并对胞面进行网格划分，在有限元软件ABAQUS中得到多胞材料的数值仿真模型。可选地，对于规则型细观结构的多胞材料，利用有限元方法周期性构建有限元模型。可选地，对于随机型细观结构的多胞材料，利用3D-Voronoi随机细观结构构建有限元模型。可选地，在多胞材料中，采用基于最小二乘法的离散局部变形梯度来描述多胞性带来的离散位移场，从而得到多胞材料的局部应变场。可选地，材料节点处的正应变分量及剪应变分量组成工程应变张量，并由Green应变张量通过连续介质力学方法进行求解。可选地，将工程应变张量由2阶映射为0阶，采用八面体等效应变计算方法，以八面体等效应变进行0阶表征，从而形成八面体等效应变场。可选地，根据材料各节点所组成的八面体等效应变场，通过MATLAB软件对三维离散八面体等效应变场进行插值获取三维连续应变场，从而达到识别非平面波波阵面的目的。本专利技术的有益效果在于：本专利技术涉及的非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法，基于细观数值仿真方法和局部应变场计算方法，采用连续介质力学计算方法对Green应变张量转化为工程应变张量，通过八面体等效应变计算方法，确定等效应变场突跃位置和非平面波阵面位置的识别方法，从而解决多胞材料内部非平面波的识别问题，为泡沫宏观结构呈现复杂结构或者载荷非单一方向等一般应用环境下的非平面波波阵面识别提供了较准确的计算方法，同时为非平面波阵面在胞孔材料中的传播规律认识提供了有力工具和奠定了研究基础。该专利技术可应用于航空航天、军事防护、汽车制造、产品包装等抗爆抗冲击防护设计的基础科学研究和工程设计。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：图1是实施例所述的泡沫铝细观结构几何图；图2是实施例所述的泡沫铝细观结构数值模型图；图3是实施例所述的泡沫铝细观结构数值模拟等效应力中面截面图；图4是实施例所述的泡沫铝细观结构局部应变法下ε11正应变场的中面截面图；图5是实施例所述的泡沫铝细观结构局部应变法下εeff八面体等效应变场的中面截面图。具体实施方式以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。本专利技术涉及的非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法，基于数值仿真软件生成的网格节点位移场，采用基于最小二乘法离散局部变形梯度的局部应变场计算方法，得到节点处的Green应变张量，并通过连续介质力学转化为工程应变张量，采用八面体等效应变计算方法，确定等效应变场突跃位置和非平面波阵面位置，从而解决多胞材料内部非平面波的识别问题，为泡沫宏观结构呈现复杂结构或者载荷非单一方向等一般应用环境下的非平面波波阵面识别提供了较准确的计算方法，同时为非平面波阵面在胞孔材料中的传播规律认识提供了有力工具和奠定了研究基础。该专利技术可应用于航空航天、军事防护、汽车制造、产品包装等抗爆抗冲击防护设计的基础科学研究和工程设计。具体实施过程如下：1、细观数值仿真方法多胞材料分为规则型和随机型细观结构，对于规则型细观结构的多胞材料，可以利用有限元方法直接周期性建立模型。对于非规则型细观结构的多胞材料，例如泡沫类材料，采用3D-Voronoi随机细观结构构建有限元模型，首先在指定的材料宏观区域Π0内按照均匀概率分布散布N个成核点，并且控制成核点间的距离δ不小于给定的距离δmin：δmin＝(1-k)·δ0(1)(1)式中，k为泡沫材料中表征细观结构的不规则度；δ0是十四面体Kelvin胞棱拓扑结构任意成核点件的最小距离：(2)式中，Vcell是单胞的体积。满足以上条件产生成核点后，通过MATLAB中Voronoi函数生成胞棱、胞面几何信息。采用Hypermesh的壳单元对胞面进行网格划分，在有限元软件ABAQUS中设泡沫胞壁厚度为t。得到泡沫细观结构的数值仿真模型，并开展爆炸或冲击条件下的动态数值模拟。2、局部应变场计算方法获取泡沫材料细观结构非平面冲击波过程中，不仅仅考虑节点处的正应变分量，同时还考虑节点处的剪应变分量。两种分量组成工程应变张量并由Green应变张量通过连续介质力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法，其特征在于，包括：/n通过细观数值仿真方法，建立多胞材料的数值仿真模型，并开展爆炸或冲击条件下的动态数值模拟；/n通过局部应变场计算方法，得到多胞材料的局部应变场；/n采用连续介质力学计算方法，将Green应变张量转化为工程应变张量；/n通过八面体等效应变计算方法，得到材料各节点所组成的八面体等效应变场，并通过软件确定非平面波阵面位置。/n

【技术特征摘要】
1.非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法，其特征在于，包括：
通过细观数值仿真方法，建立多胞材料的数值仿真模型，并开展爆炸或冲击条件下的动态数值模拟；
通过局部应变场计算方法，得到多胞材料的局部应变场；
采用连续介质力学计算方法，将Green应变张量转化为工程应变张量；
通过八面体等效应变计算方法，得到材料各节点所组成的八面体等效应变场，并通过软件确定非平面波阵面位置。


2.根据权利要求1所述的非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法，其特征在于：多胞材料构建有限元模型，在指定的材料宏观区域Π0内按照均匀概率分布散布N个成核点，并且控制成核点间的距离δ不小于给定的距离δmin；
通过MATLAB软件生成胞棱、胞面几何信息，并对胞面进行网格划分，在有限元软件ABAQUS中得到多胞材料的数值仿真模型。


3.根据权利要求2所述的非平面波在多胞材料中传播的波阵面识别方法，其特征在于：对于规则型细观结构的多胞材料，利用有限元方法周期性构建有限元模型。


4.根据权利要求2所述的非平面波在多胞材料中传...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，李会敏，冯高鹏，余春祥，李俊承，石啸海，王守乾，牛公杰，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院总体工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51