一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法

本发明涉及航天着陆结构的冲击防护，尤其是涉及一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法。背景技术：1、航天器着陆时巨大冲击力是航天器着陆的主要威胁之一，极大地影响航天器的生命周期。随着对地球外行星的不断探索深入，新式航天器需要着陆的情况呈现出显著增加，针对着陆造成的冲击防护至关重要。此类冲击不仅容易破坏着陆器外部的结构，并且对着陆器内部的设备/人造成致命打击。因此，对着陆器外部结构采用冲击防护措施十分重要，可以有效防止或削减着陆冲击产生的破坏。2、针对软着陆冲击下，速度一般为数米每秒或者十余米每秒，着陆过程的最大冲击响应加速度一般为十几个g或者几十个g，现有的几种主要缓冲技术原理：(1)材料变形技术；(2)气囊形式；(3)电磁阻尼缓冲机构；(4)颗粒阻尼等。从各国在着陆器的成功经验上，可以看出腿式缓冲着陆机构为比较普遍应用的缓冲设计。软着陆时冲击波传递到航天器内部的设备主要传递路径是：地面→着陆腿→着陆器外体→内部基座→设备/人。从着陆冲击波的传递路径能够看出，提升着陆器的抗冲击性能主要从着陆腿方面入手。3、着陆器的缓冲相关研究工作其实与汽车碰撞的防护思路是相似的，但由于空间环境与地面环境等约束条件的不一致，两者的具体实现方式往往存在很大的差异，并且着陆腿要求的可靠性远比汽车防护的高。与航天器的整个生命周期而已，着陆过程是很短暂的过程，但是这个过程决定了整个航天器的成功失败与否。压溃材料缓冲设计早在上个世纪即已经在工业界得到广泛开展，随着多孔材料受到研究者的关注，利用塑性变形的夹芯结构被广泛研究。相关多孔材料如泡沫材料、蜂窝材料、点阵结构等具有优异的抗冲击性能，降低了作用到被保护对象的能量，通过塑性变形耗散了冲击波能量，最终使传递到被保护对象的冲击能量大为降低，但存在结构性能根据材料被动选择的问题。颗粒阻尼等技术存在性能不稳定等特点。4、目前，我国在着陆器多孔材料缓冲设计性能仍停留在普通蜂窝的材料属性层级上，无法对其进行性能定制设计。如何实现面向复杂着陆环境下可调性能设计，而相关的新型缓冲吸能设计理念较为缺乏。技术实现思路1、本发明的目的是提供一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法，解决现有蜂窝结构与颗粒阻尼缓冲技术的缺陷。2、为实现上述目的，本发明提供了一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法，包括以下步骤：3、步骤s1、基于实际需求，初步确定界面接触非线性调控超材料的等效模量性能；4、步骤s2、将弹性框架作为界面接触非线性调控超材料的主体支撑结构，通过经典蜂窝结构理论模型，初步建立弹性框架的等效模量；5、步骤s3、基于界面接触结构，初步确定界面接触结构的等效模量；6、步骤s4、通过线性叠加的方式得到整体胞元结构的等效模量；7、优选的，所述步骤s1中的界面接触非线性调控超材料的抗冲击过程包括材料的压缩变形，其特征表现为弹性框架的压缩变形和界面接触结构的滑移变形，其中对于圆型截面的界面接触结构，力载荷与加载位移的关系如下：8、9、上式中的梁截面的旋转角θ为：10、11、梁在纵向方向上的加载位移为：12、x＝2r(cos[α0]-cos[α])13、其中，fx代表沿结构轴向方向的力，ei代表材料的弹性模量和惯性矩的乘积，μ代表库伦摩擦系数，r、h、α0和l0代表圆凸体半径等相关几何参数；14、进而得到一个粗略的等效模量：15、16、优选的，所述步骤s2中建立弹性框架的等效模量的公式如下：17、18、其中，e代表材料模量，其它参数为几何参数。19、优选的，所述步骤s3中的界面接触结构包括锯齿型界面、圆型界面、椭圆型界面和钝角型锯齿界面。20、优选的，将得到的弹性框架的等效模量与界面接触结构的等效模量线性叠加，得到整体胞元的结构的等效模量：21、22、其中，代表弹性框架的等效模量，kc代表界面接触结构的等效模量。23、因此，本发明采用上述结构的一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法，具有以下有益效果：24、(1)本发明提供的界面接触蜂窝单元设计，比单纯的蜂窝结构相比，具有更高的耗散性能。25、(2)本发明的结构设计比阻尼颗粒技术性能更加稳定，具有轻质、稳定的耗散性能的多重优点。26、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。技术特征：1.一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法，其特征在于，包括以下步骤：2.根据权利要求1所述的一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法，其特征在于：所述步骤s1中的界面接触非线性调控超材料的抗冲击过程包括材料的压缩变形，其特征表现为弹性框架的压缩变形和界面接触结构的滑移变形，其中对于圆型截面的界面接触结构，力载荷与加载位移的关系如下：3.根据权利要求2所述的一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法，其特征在于：所述步骤s2中建立弹性框架的等效模量的公式如下：4.根据权利要求3所述的一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法，其特征在于：所述步骤s3中的界面接触结构包括锯齿型界面、圆型界面、椭圆型界面和钝角型锯齿界面。5.根据权利要求4所述的一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法，其特征在于：将得到的弹性框架的等效模量与界面接触结构的等效模量线性叠加，得到整体胞元结构的等效模量：技术总结本发明公开了一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法，涉及航天着陆结构的冲击防护技术领域，包括以下步骤：包括以下步骤：步骤S1、初步确定界面接触非线性调控超材料的等效模量性能；步骤S2、将弹性框架作为界面接触非线性调控超材料的主体支撑结构，通过经典蜂窝结构理论模型，初步建立蜂窝胞元的等效模量；步骤S3、初步确定界面接触结构的等效模量；步骤S4、通过线性叠加的方式得到整体胞元结构的等效模量。本发明采用上述结构的一种界面接触非线性调控超材料及其设计方法，提供的界面接触蜂窝单元设计，比单纯的蜂窝结构相比，具有更高的耗散性能；结构设计比阻尼颗粒技术性能更加稳定，具有轻质、稳定的耗散性能的多重优点。技术研发人员：李营,李玮洁,江鹏受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/15