一种多尺度的层级三角形抗冲击系统及其应用技术方案

本发明专利技术属于抗冲击结构技术领域，公开了一种多尺度的层级三角形抗冲击系统及其应用，包括若干个层级周期单元；层级周期单元包括若干不同几何尺寸的宏观尺度三角形、介观尺度三角形和微观尺度三角形；宏观尺度三角形周期性布置，介观尺度三角形嵌套于宏观尺度三角形中，三个微观尺度三角形嵌于中间介观尺度三角形外侧。本发明专利技术在宏观尺度三角形中嵌套多个介观和微观尺度三角形，由于微观结构的存在，增强了结构的局部刚度，改变了结构的变形模式，使该结构具有更加良好的抗压特性以及动态冲击吸能特性。在高速冲击下，多尺度三角层级结构的应力波动值较为平缓，能有效降低防护结构对受保结构的二次毁伤，提高防护效果。提高防护效果。提高防护效果。

【技术实现步骤摘要】
一种多尺度的层级三角形抗冲击系统及其应用


[0001]本专利技术属于抗冲击结构
，尤其涉及一种多尺度的层级三角形抗冲击系统及其应用。

技术介绍

[0002]目前，抗冲击性能是大型装甲车辆、舰船和航母等装备的关键技术指标，关乎其战场生存能力。通过在装备外侧易遭受打击的区域敷设牺牲层，以牺牲层的塑性变形和破坏来实现对爆炸冲击能量的吸收是目前常用的技术手段。出于对大型装备整体性能及实际工况的考虑，设计轻质高强的抗冲击吸能结构对于提高装甲防护能力、保障装甲安全具有重要意义。
[0003]蜂窝材料具有良好的力学性能以及轻量化的特点，目前已被广泛用于相关工程领域中。对于蜂窝结构而言，最小周期性单元的拓扑形式对宏观结构的力学性能有重大影响，例如三角形、四边形、kagome蜂窝的力学性能截然不同。通过设计单个元胞的拓扑结构，来达到提升蜂窝结构性能的目的，是研究人员的重点关注领域。随着现代装备中对质量和强度刚度等的高要求，普通形式的蜂窝结构已经难以满足其工程应用需求，具有宏微观多个尺度的层级结构设计思路对提升蜂窝结构静动态力学性能提供了技术途径。
[0004]层级结构是具有宏微观多个尺度的结构，其中微观结构具有宏观结构类似的拓扑特征，以附加或替换宏观结构某一边或角的形式组合成新的结构。微观结构的引入，能在保持结构质量以及体积满足应用需求的前提下，显著增强结构的力学性能，目前已被应用于航空航天、工程建筑等领域中。
[0005]现有的单一尺度三角格栅结构存在着抗压特性差、在准静态压缩以及动态冲击下存在吸能特性不足的情况，在一定的质量约束下难以对受保结构进行有效防护；且在高速冲击时应力波动较大，易对结构造成二次损伤。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0007]现有的单一尺度三角格栅结构存在着抗压特性差、在准静态压缩以及动态冲击下存在吸能特性不足的情况，在一定的质量约束下难以对受保结构进行有效防护；且在高速冲击时应力波动较大，易对结构造成二次损伤。
[0008]解决以上问题及缺陷的难度为：在满足质量约束的情况下，提升结构吸能特性以满足工程应用需求，是当前抗冲击结构设计的关键技术瓶颈。目前，研究人员开展了一系列的结构设计研究，但仍未得出关键技术结构以及设计指导方案。此外，在高速冲击工况下，结构内应力波动情况受多种因素影响，且相关影响机理仍未明晰。因此，在满足质量约束的前提下，提升抗压特性和吸能特性存在一定技术难度；在保障吸能特性的前提下，通过设计结构拓扑以达到调控冲击载荷下应力波动的目的，存在一定技术难度。解决以上问题及缺陷的意义为：在爆炸冲击载荷下，防护结构吸能特性的不足会导致受保结构遭受过大的瞬态载荷，进而导致结构失效。吸能特性是防护结构的关键评价指标。在满足质量约束的前提下，显著提升吸能特性，对于保障受保结构安全具有重要意义，能够有效降低结构失效几
率，提高结构抗爆能力。同时，防护结构在冲击载荷下的应力波动也会对结构造成一定损伤，较为平缓的应力波动能降低来自防护结构的冲击，保障结构安全。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种多尺度的层级三角形抗冲击系统及其应用。
[0010]本专利技术是这样实现的，一种多尺度的层级三角形抗冲击系统包括：
[0011]若干个层级周期单元；
[0012]所述层级周期单元包括若干不同几何尺寸的宏观尺度三角形、介观尺度三角形和微观尺度三角形；
[0013]所述宏观尺度三角形周期性布置，所述介观尺度三角形嵌套于宏观尺度三角形中，三个微观尺度三角形嵌于中间介观尺度三角形外侧，所述微观尺度三角形外端与宏观尺度三角形内壁接触。
[0014]进一步，所述介观尺度三角形的边长为宏观尺度三角形的一半，微观尺度三角形的边长为介观尺度三角形的一半。
[0015]进一步，所述宏观尺度三角形、介观尺度三角形和微观尺度三角形在装配过程中各个三角形之间接触无缝隙。
[0016]进一步，单个所述层级周期性单元通过宏观尺度三角形的平移和旋转得到。
[0017]进一步，所述多尺度的层级三角形抗冲击系统由m
×
n个层级周期单元组成，其中m为横向元胞数，n为纵向层数，m大于等于1，n大于等于1。
[0018]进一步，单个层级周期单元在宏观尺度三角形中填充一个介观尺度三角形和三个微观尺度三角形。
[0019]结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：本专利技术通过在宏观尺度三角形中嵌套多个介观和微观尺度三角形，本专利技术提出了一种多尺度三角层级结构。由于微观结构的存在，增强了结构的局部刚度，改变了结构的变形模式，使该结构具有更加良好的抗压特性以及动态冲击吸能特性。根据图3和表1可以看出，多尺度三角层级结构在准静态压缩下，抗压特性较单一尺度三角形提升了约35％，吸能特性提升了约204％。根据图4和表2，5m/s的低速和100m/s的高速冲击下，多尺度三角层级而机构相比三角格栅结构具有明显应力波动较小的特征，能有效降低防护结构对受保结构的二次毁伤，提高防护效果。
[0020]本专利技术相较于三角格栅结构，具有更高的抗压特性和吸能特性。在静态压缩下，多尺度层级三角形比单一尺度三角格栅结构吸能特性增幅近两倍，在动态冲击下其吸能特性也有部分提高，可用于抗压和抗冲击夹芯板结构设计，具有良好的工程应用价值。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1是本专利技术实施例提供的层级周期单元的结构示意图，可将其通过平移和旋转的方式得到多尺度三角层级抗冲击结构。其中，介观三角形嵌于宏观三角形其中，微观三角形嵌于介观三角形外围，相互接触无缝隙。
[0023]图2是本专利技术实施例提供的单一尺度三角格栅结构与多尺度三角层级抗冲击结构的示意图。多尺度三角层级抗冲击结构可通过图1所示的周期单元平移和旋转得到。关键的，确保结构连接无缝隙。
[0024]图3是本专利技术实施例提供的相同等效密度下多尺度层级结构与单一尺度三角格栅结构准静态压缩应力应变比较图。
[0025]图4(a)是本专利技术实施例提供的单一尺度三角格栅结构在5m/s和100m/s的冲击速度下应力应变图以及局部放大图。
[0026]图4(b)是本专利技术实施例提供的多尺度三角层级抗冲击结构在5m/s和100m/s冲击速度下应力应变图以及局部放大图。
具体实施方式
[0027]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0028]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种多尺度的层级三角形抗冲击系统及其应用，下面结合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多尺度的层级三角形抗冲击系统，其特征在于，所述多尺度的层级三角形抗冲击系统包括：若干个层级周期单元；所述层级周期单元包括若干不同几何尺寸的宏观尺度三角形、介观尺度三角形和微观尺度三角形；所述宏观尺度三角形周期性布置，所述介观尺度三角形嵌套于宏观尺度三角形中，三个微观尺度三角形嵌于中间介观尺度三角形外侧。2.如权利要求1所述的多尺度的层级三角形抗冲击系统，其特征在于，所述介观尺度三角形的边长为宏观尺度三角形的一半，微观尺度三角形的边长为介观尺度三角形的一半。3.如权利要求1所述的多尺度的层级三角形抗冲击系统，其特征在于，所述宏观尺度三角形、介观尺度三角形和微观尺度三角形在装配过程中各个三角形之间接触无缝隙。4.如权利要求1所述的多尺度的层级三角形抗冲击系统，其特征在于，单个所述层级周期性单元通过宏观尺度三角形的平移和旋转得到。5.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹剑飞，程乾，温激鸿，郁殿龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：