三维纺织蜂窝材料的性能优化及其在能量吸收器中的应用基础研究

Honeycomb composites have great potentials to be used in the protection area. Preliminary researches have revealed that by changing the gradient of the cellular structure, the honeycomb composite can absorb more energies. However, due to the limitations of the manufacture processing method, the current gradient cellular materials are made by attaching different layers of honeycombs with various densities and the final products are in the form of noncontinuous structure and stress attenuation. Thus, we proposed a textile based technology which can easily solve the above problem and form the continuously gradient cellular honeycombs. We also going to further investigate the gradient cellular honeycomb under different loading cases and its energy absorption properties. We are going to build up the geometric model of gradient cellular structure and import the model into FE analysis to further investigate its quasi-static and dynamic mechanical properties. Meanwhile, we are going to weave the honeycomb fabrics followed by converting them into composites, then conducting the mechanical experiments to verify theoretical models and reveal its impact principle.

蜂窝材料具有优异的能量吸收和抗冲击性能，使其作为能量吸收器在防护领域有着广泛的潜在应用价值。已有的研究表明通过改变蜂窝材料的密度分布可以有效帮助提高其能量吸收和抗冲击能力。但由于制备方法的局限，现有密度梯度蜂窝材料均是由粘接不同均匀密度层形成的阶梯式，不连续的密度梯度多孔材料，存在结构不连续，易在分层处形成应力集中的特点。鉴于此，申请人提出了一种基于纺织技术、可形成渐变密度的梯度蜂窝的制备方法，并旨在对这一类蜂窝材料的力学行为和吸能表现进行深入的理论研究和实验分析。申请人将对具有密度分层的蜂窝结构进行几何建模，随后通过数值计算的方法探讨蜂窝模型在不同工况载荷下的力学行为，包括压缩和冲击。同时申请人也将对具有连续结构的蜂窝织物进行组织和工艺设计并上机制备试样，随后，申请人将对试样进行实验测试，旨在揭示这种经过优化后的蜂窝材料的能量吸收和变形机理。

蜂窝材料具有优异的能量吸收和抗冲击性能，使其作为能量吸收器在防护领域有着广泛的潜在应用价值。已有的研究表明通过改变蜂窝材料的密度分布可以有效帮助提高其能量吸收和抗冲击能力。但由于制备方法的局限，现有密度梯度蜂窝材料均是由粘接不同均匀密度层形成的阶梯式，不连续的密度梯度多孔材料，存在结构不连续，易在分层处形成应力集中的特点。鉴于此，申请人提出了一种基于纺织技术、可形成渐变密度的梯度蜂窝的制备方法，并旨在对这一类蜂窝材料的力学行为和吸能表现进行深入的理论研究和实验分析。申请人将对具有密度分层的蜂窝结构进行几何建模，随后通过数值计算的方法探讨蜂窝模型在不同工况载荷下的冲击力学行为，同时申请人也将对具有连续结构的蜂窝织物进行组织和工艺设计并上机制备试样，随后，申请人将对试样进行实验测试，旨在揭示这种经过优化后的蜂窝材料的能量吸收和变形机理。研究过程中我们发现，采用不同基础组织和接结组织时将会对最终材料的能量吸收性能产生影响，结接组织的组织结构越是复杂，材料的能量吸收能能力越强。另外不同梯度系数对蜂窝材料的能量吸收性能的也会产生影响，随着最上层蜂窝胞元和最下层蜂窝胞元的孔径比的扩大，材料的能量吸收性能随之下降，而随着壁厚比的增加，材料的能量吸收性能反而上升。在完成项目计划内容过程中，我们构建了材料从细观至宏观的数值模型，通过实验研究的方法，分析了蜂窝材料的动态力学行为及其吸能性能，为完整而全面地开展蜂窝材料的优化设计和作为能量吸收器的应用奠定基础，同时也为纺织技术开发蜂窝材料的相关理论和方法提供应用范例。