高速冲击条件下二维多孔材料缓冲性能的测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于二维多孔材料动态缓冲性能测试与评价技术领域，具体涉及一种高速 冲击条件下二维多孔材料缓冲性能的测定方法。
【背景技术】
[0002] 目前，材料缓冲性能已有的测定方法有：静态压缩试验法[GB8168-2008]、动态 压缩试验法[GB8167-2008]和能量吸收图法。静态压缩试验法通过对缓冲材料的类静态 压缩响应曲线进行处理，得到"缓冲系数-最大应力"曲线。该测定方法的载荷条件是类 静态压缩，而实际缓冲应用中缓冲材料常承受着动态冲击载荷的作用，例如包装件在流通 中的跌落冲击速度会达l〇m/s以上，高速行驶的汽车撞击防护栏会达到50-60m/s，所以 该方法无法做到与实际冲击情形相接近。动态压缩试验法，是对某种缓冲材料针对多个 跌落高度和样品厚度，通过改变重锤质量来得到"最大加速度_静应力"曲线。该测试方 法的载荷条件与缓冲应用实际场景相吻合，但存在如下弊端：①为了获取某一载荷条件 下的缓冲性能，要对同一缓冲材料进行不同厚度下的多次测试，数据获取复杂；②缓冲材 料常是粘滞性材料，冲击速度或应变率影响其缓冲性能，这一方法冲击过程中的冲击速度 不断减小，这样的载荷条件决定了不能用来研宄冲击速度或应变率对材料缓冲性能的影 响。Maiti等人（MaitiSK,GibsonLJ,AshbyMF.Deformationandenergyabsorption diagramsforcellularsolids.ActaMaterialia.l984,32(2):1963 _ 1975.)提出了多 孔材料能量吸收图法，能量吸收图是基于缓冲材料不同应变率条件下的动态压缩应力应 变曲线而求得的。Gibson和Ashby(GibsonLJ,AshbyMF.Cellularsolids:structure andproperties,SecondEdition.Cambridge,U.K:CambridgeUniversityPress, 1997.) 在此基础上详细介绍了基于能量吸收图的缓冲设计算法。虽然该方法考虑了多孔材料 的相对密度和应变率对缓冲性能的影响，但该方法是从宏观角度、冲击速度不高（1? l〇m/S)的情况下认为影响材料缓冲性能的因素是相对密度和应变率。随着冲击速度的 增加（10m/S以上），二维多孔材料共异面冲击响应应力会急剧增加并且波动幅度会越来 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.)。已有测定方法在评价材料缓冲性能时，采用"缓冲系 数"的概念。"缓冲系数"是指材料在变形过程中某刻的应力与此前能量吸收的比值，该值 越小材料缓冲性能越好。利用"缓冲系数"评价材料缓冲性能时，是假设缓冲材料的响应应 力随着应变的增加而增加，而高速条件下二维多孔材料冲击响应应力不仅急剧增加并且波 动幅度越来越大，所以已有方法无法用来评价高速冲击载荷条件下二维多孔材料的缓冲性 能。
[0003] 总之，现有的方法不能用来研宄高速冲击载荷条件下冲击速度、单元构型、结构尺 寸等因素对二维多孔材料缓冲性能的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种高速冲击条件下二维多孔材料缓冲性能的测定方法， 解决了现有方法不能用来研宄高速冲击载荷条件下二维多孔材料缓冲性能的问题。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：高速冲击条件下二维多孔材料缓冲性能的测定方 法，对二维多孔材料进行缓冲性能测试，得到响应冲击力位移曲线，然后对冲击力位移曲线 进行标准化处理得到相应标准化应力应变曲线，根据应力应变曲线特点建立并计算最佳单 位体积能量吸收、最佳比能量吸收、冲击力效率、最小动态缓冲系数缓冲性能评价指标，实 现高速冲击载荷条件下对二维多孔材料缓冲性能的测定。
[0006] 具体包括以下步骤：
[0007] 步骤1:采用可控速度高速冲击试验机对二维多孔材料样品在某一冲击速度V下 进行缓冲性能测试试验，记录冲击过程中沿冲击方向上冲击板的位移U、样品与冲击板间的 作用力F，得到响应冲击力位移曲线F-U;
[0008] 步骤2 :对步骤1得到的冲击力位移曲线F-U进行标准化处理，样品沿冲击方向上 长度为h，横截面面积为八，则〇 =F/A，e=u/h，得到相应标准化应力应变曲线;
[0009] 步骤3:定义单位体积能量吸收
【主权项】
1. 高速冲击条件下二维多孔材料缓冲性能的测定方法，其特征在于，对二维多孔材料 进行缓冲性能测试，得到响应冲击力位移曲线，然后对冲击力位移曲线进行标准化处理得 到相应标准化应力应变曲线，根据应力应变曲线特点建立并计算最佳单位体积能量吸收、 最佳比能量吸收、冲击力效率、最小动态缓冲系数缓冲性能评价指标，实现高速冲击载荷条 件下对二维多孔材料缓冲性能的测定。
2. 如权利要求1所述的高速冲击条件下二维多孔材料缓冲性能的测定方法，其特征在 于，具体包括以下步骤： 步骤1 :采用可控速度高速冲击试验机对二维多孔材料样品在某一冲击速度V下进行 缓冲性能测试试验，记录冲击过程中沿冲击方向上冲击板的位移u、样品与冲击板间的作用 力F，得到响应冲击力位移曲线F-u ; 步骤2 :对步骤1得到的冲击力位移曲线F-u进行标准化处理，样品沿冲击方向上长度 为h，横截面面积为A，则σ =F/A，ε =u/h，得到相应标准化应力应变曲线σ-ε ; 步骤3 :定义单位体积能量吸收
和比能量吸收SEA = e/p % P #为二维多 孔材料样品密度，由此得到单位体积能量吸收应变曲线e- ε，该曲线描述了单位体积的材 料在一定变形程度下能量吸收的大小； 根据σ-ε曲线的特点，在弹性变形末出现初始峰应力〇(|，对应初始应变ε(ι，平台区 变形过程中的应力水平值称为动态峰应力σ ρ，样品密实化开始时的应变称为密实化应变 UpFtl分别为F-U曲线上相应ε JP ε D的初始位移、密实化位移、初始峰冲击力，则 ε 〇= u 〇/h, ε D= u D/h, 〇 〇= F 〇/A
步骤4 :计算缓冲性能评级指标： 二维多孔材料动态缓冲性能的评价，要考虑应力和能量吸收两因素，根据步 骤3中σ-ε曲线的特点，其所有动态缓冲性能评价指标如下：指标一："最佳单位 体积能量吸收'
^pt值越大说明缓冲性能越好；指标二："最佳比能 量吸收
，SEA_值越大说明缓冲性能越好；指标三："冲击 力效率" IFE = σρ/〇 μ IFE值越大说明缓冲性能越好；指标四："最小动态缓冲系 数
> Cdm越小，最佳能量效率越高，缓冲性能 越好。
3. 如权利要求2所述的高速冲击条件下二维多孔材料缓冲性能的测定方法，其特征在 于，所述步骤1中二维多孔材料样品的形状为长方体形且尺寸足够大，共面两个方向上特 征单元的数量不小于8,以消除边界影响。
4. 如权利要求2所述的高速冲击条件下二维多孔材料缓冲性能的测定方法，其特征在 于，所述步骤1中冲击板质量足够大保证冲击前后速度减小量小于5%。
5. 如权利要求2所述的高速冲击条件下二维多孔材料缓冲性能的测定方法，其特征在 于，所述步骤3的σ-ε曲线包含了四个过程：首先是线弹性变形过程I，在弹性变形末出 现初始峰应力σ。，对应初始应变ε。;然后是屈服阶段II，此时应力由初始峰应力降至一定 水平值；而后进入第三个阶段一一平台区阶段III，应力绕一水平值上下波动，该水平值称 为动态峰应力σ ρ;平台区变形过程末，变形进入密实化阶段IV，密实化开始时的应变称为 密实化应变ε D，此时e-ε曲线开始急剧上升，出现相应拐点Pe，此拐点为最佳能量吸收点。
【专利摘要】本发明公开了一种高速冲击条件下二维多孔材料缓冲性能的测定方法，对二维多孔材料进行缓冲性能测试，得到响应冲击力位移曲线，然后对冲击力位移曲线进行标准化处理得到相应标准化应力应变曲线，根据应力应变曲线特点建立并计算最佳单位体积能量吸收、最佳比能量吸收、冲击力效率、最小动态缓冲系数缓冲性能评价指标，实现高速冲击载荷条件下对二维多孔材料动态缓冲性能的测定。本发明解决了现有方法不能用来研究高速冲击载荷条件下二维多孔材料缓冲性能的问题，无需对不同厚度的样品进行试验，评价方法简单，与实际冲击载荷相接近，不受曲线幅值波动的影响，可用来研究冲击速度、结构参数、单元构型等因素对二维多孔材料缓冲性能的影响。
【IPC分类】G06F19-00, G01N3-00
【公开号】CN104535407
【申请号】CN201410826164
【发明人】孙德强, 邢月卿, 李国志, 张小强, 高芬, 赵建伟
【申请人】陕西科技大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月25日