基于纤维状颗粒介质的冲击波防护层及其优化制造方法与流程

本发明涉及冲击波防护，特别涉及一种基于纤维状颗粒介质的冲击波防护层及其优化制造方法。

背景技术：

1、在冲击波防护领域，颗粒材料由于其独特的力学性质和能量吸收能力而受到广泛关注。这些材料通常由大量离散的固体小颗粒集合而成，通过颗粒间的相互接触、碰撞和摩擦作用来吸收和耗散冲击能量。相较于传统各向同性均质材料，颗粒材料在应对动态载荷时展现出更好的适应性和效率。颗粒材料的一个显著优点是其微观结构的可调性。通过改变固体颗粒的形状、大小和堆积结构，可以有效地调节材料的宏观力学行为，以适应不同的载荷环境和应用需求。

2、然而，现有冲击波防护技术中仍存在应力衰减效率不足和可控性不足等问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于纤维状颗粒介质的冲击波防护层及其优化制造方法。本发明通过改变纤维状颗粒的长径比和柔性进而调控纤维状颗粒介质的堆积结构和能量吸收能力，从而实现对冲击波应力衰减的优化控制。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一、基于纤维状颗粒介质的冲击波防护层

4、所述冲击波防护层包括上平面板、纤维状颗粒介质和下平面板；所述上平面板与下平面板之间设有空腔，所述空腔内填充有纤维状颗粒介质，所述纤维状颗粒介质主要由若干根纤维状颗粒随机堆积而成。所述纤维状颗粒为细长的柔性颗粒，由纤维状颗粒堆积而成的纤维状颗粒介质在空腔中呈现拥塞(jamming)状态。在受到冲击时，这种独特的颗粒填充结构使得装置能够有效地分散、吸收和耗散冲击能量。

5、可选地，所述纤维状颗粒的长径比为15～25；所述纤维状颗粒的弯曲模量为7.9×103～7.9×108pa。

6、可选地，对于同一纤维状颗粒介质，所有纤维状颗粒具有均一的长径比和均一的弯曲模量。

7、可选地，所述纤维状颗粒的长径比和弯曲模量均可在上述范围(长径比ar＝15～25；弯曲模量eb＝7.9×103～7.9×108pa)内进行调节。

8、可选地，同一纤维状颗粒介质包括若干个具有多个不同长径比，和/或多个不同弯曲模量的纤维状颗粒，并且所有纤维状颗粒的长径比均分布于ar＝15～25的范围内，所有纤维状颗粒的弯曲模量均分布于7.9×103～7.9×108pa的范围内。

9、优选地，所有纤维状颗粒的长度均小于上平面板与下平面板之间的间距。

10、可选地，所述冲击波防护层还包括侧板，所述侧板布置于所述上平面板与下平面板之间，所述上平面板、下平面板和侧板共同围合成所述空腔。所述上平面板、下平面板和侧板连接后还构成了冲击波防护层的外部框架结构。

11、二、基于纤维状颗粒介质的冲击波防护层的优化制造方法

12、上述冲击波防护层的优化制造方法具体包括如下步骤：

13、s1)针对目标冲击波防护层，预先设置冲击波防护层的结构参数，根据预先设置的结构参数选取上平面板模型和下平面板模型并制作实体模型，初始化设置纤维状颗粒的长径比以及纤维状颗粒的弯曲模量；其中，初始长径比选自长径比的预设范围，优选为长径比的预设范围的基值，初始弯曲模量选自弯曲模量的预设范围，优选为弯曲模量的预设范围的基值。长径比的预设范围为15～25；弯曲模量的预设范围为7.9×103～7.9×108pa。所述结构参数包括上平面板的材质和厚度、下平面板的材质和厚度，上平面板与下平面板之间的间隔等。

14、所述步骤s1)中，所述实体模型包括壳体、上平面板和下平面板，所述壳体的上下两端均具有开口，所述下平面板布置于操作台上，下平面板上布置有所述壳体，所述壳体上端的内部设置有上平面板，所述上平面板、下平面板与壳体围合成空腔，空腔用于填充纤维状颗粒。所述上平面板和下平面板上分别对应设置有压力传感器。所述压力传感器用于获取各自所属平面板上的力-时间曲线。所述壳体为采用透明的玻璃材料制造的两端开口的柱状容器。

15、s2)根据长径比和弯曲模量获取数根纤维状颗粒，将所有纤维状颗粒随机填充至实体模型中后，进行冲击试验，获得衰减系数α，从实体模型中取出所有纤维状颗粒。通过冲击试验，获得衰减系数α的过程具体为：

16、通过小钢球从固定高度坠落至向上平面板的方式向上平面板施加外部的冲击力后，通过压力传感器持续采集压力信号分别获取上平面板对应的冲击力-时间曲线以及下平面板对应的衰减力-时间曲线；

17、从冲击力-时间曲线中选取冲击力的最大值fs，从衰减力-时间曲线中选取衰减力的最大值fr，采用以下公式处理冲击力的最大值fs和衰减力的最大值fr，得到衰减系数α：

18、

19、其中，fs为冲击力的最大值，fr为衰减力的最大值。

20、s3)在不同的长径比、不同的弯曲模量下，分别按照步骤s2)进行多次冲击试验，基于多次冲击试验的结果，获得最优长径比和最优弯曲模量。所述步骤s3)具体为：

21、在预先设置的弯曲模量下，从长径比的预设范围中梯度选取数个不同的长径比的取值，在各个长径比下分别按照步骤s2)进行多次冲击试验，基于得到的各个长径比及其各自对应的衰减系数α，通过拟合获得衰减系数α随长径比变化的第一关系曲线，从第一关系曲线中获得衰减系数α的最大值对应的长径比作为最优长径比；

22、在最优长径比下，从弯曲模量的预设范围中梯度选取数个不同的弯曲模量的取值，在各个弯曲模量下分别按照步骤s2)进行多次冲击试验，基于得到的各个弯曲模量及各自对应的衰减系数，通过拟合获得衰减系数α随弯曲模量变化的第二关系曲线，从第二关系曲线中获得衰减系数α的最大值对应的弯曲模量作为最优弯曲模量。

23、进一步地，所述的最优长径比、最优弯曲模量还可以通过数值模拟方法获得，所述数值模拟方法具体为：采用离散单元法，根据步骤s1)中预先设置的结构参数、步骤s3)中选取的数个不同的长径比、步骤s3)中选取的数个不同的弯曲模量构建多个仿真模型(离散数值模型)，分别对各个仿真模型(离散数值模型)进行模拟冲击，获得各个仿真模型(离散数值模型)对应的模拟衰减系数，将模拟衰减系数的最大值对应的长径比、弯曲模量分别作为最优长径比、最优弯曲模量。

24、s4)根据最优长径比和最优弯曲模量获取若干根纤维状颗粒，将所有纤维状颗粒填充至目标冲击波防护层内部的空腔中，直至所有纤维状颗粒随机堆积而成的纤维状颗粒介质达到拥塞状态，制造得到优化后的冲击波防护层。

25、需要注意的是，纤维状颗粒介质的体积在优化过程中始终保持不变。因此，当纤维状颗粒的长径比更新后，所述纤维状颗粒的数量随之改变。

26、本发明的有益效果如下：

27、(1)本发明提出了将纤维状颗粒随机堆积形成的拥塞性颗粒系统，即纤维状颗粒介质作为冲击波防护层中的填充层的应用。本发明提供的冲击波防护层具有轻质、高效、可调节性强和能重复利用等优点，适用于军事和民用领域的防护设施，如军用掩体、汽车、航空航天、建筑安全和人身防护等，为冲击波防护提供了一种新的解决方案。

28、(2)与现有防护材料和技术相比，本发明在提高冲击波防护性能的同时，还具有灵活的可调节性和重复利用性，为冲击波防护技术的发展提供了新的材料选择和设计思路。