本发明属于冲击防护领域，尤其涉及一种面向强冲击环境下的复合材料夹芯结构设计方法。
背景技术：
1、常用的防护结构通常面临着高压高应变率的复杂极端载荷条件，极端工况对防护材料的抗冲击性能和轻量化性能设计提出严峻挑战。目前，纤维增强复合材料相比于金属板，具有更高的比强度和比刚度、耐腐蚀性、耐久性和良好的可设计性，但传统复合材料层合板结构存在吸能差、抗冲击性能弱的缺点。泡沫材料具有超轻质、吸能效率高等优点，可有效改善传统层合板吸能差的问题。在此基础上，由纤维增强复合材料和泡沫材料结合而成的典型复合材料夹芯结构由于其优越的力学性能广泛地应用于强冲击环境下的防护装备设计。
2、我国复合材料夹芯结构防护材料设计模式主要采用试验为主、数值分析为辅的技术手段，研发成本高昂并且周期漫长。因此，亟需提出一种面向高压高应变率极端工况的复合材料夹芯结构设计方法，研究增韧复合材料夹芯结构在复杂冲击波载荷下的变形机制和失效模式，为面向高压高应变率强冲击环境的冲击防护材料和结构设计提供支撑。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种面向强冲击环境下的复合材料夹芯结构设计方法，主要采用有限元方法进行参数化建模和水下冲击仿真，缩短复合材料夹芯防护材料研制周期并降低成本，研究增韧复合材料夹芯结构在水下冲击波载荷下的变形机制和失效模式，为冲击防护材料和结构设计提供指导。
2、本发明是这样实现的，一种面向强冲击环境下的复合材料夹芯结构设计方法，包括以下步骤：
3、s1、设定初始芯层结构，建立复合材料面板的损伤本构模型；
4、s2、以复合材料面板设计参数为变量构建复合材料夹芯结构模型，对构建的复合材料夹芯结构模型进行水下冲击仿真，根据评估指标筛选出最优复合材料面板设计参数；其中，所述复合材料面板设计参数包括复合材料面板厚度和铺设角度；
5、s3、基于确定的最优复合材料面板设计参数，以芯层结构设计参数为变量再次构建复合材料夹芯结构模型并进行水下冲击仿真，根据评估指标筛选出最优芯层结构设计参数；其中，所述芯层结构设计参数包括芯层材料、芯层密度和芯层厚度变量；
6、s4、根据最优复合材料面板设计参数和最优芯层结构设计参数获得最终复合材料夹芯结构设计方案；
7、其中，所述评估指标包括总中点归一化挠度响应和破坏模式。
8、进一步地，所述的建立复合材料面板的损伤本构模型，具体为：编写用户自定义材料行为的vumat子程序构建本构模型，复合材料的损伤起始判定准则采用hashin失效准则，其损伤演化采用基于应变能释放的渐进退化模型；
9、在复合材料面板和芯层材料之间插入界面粘聚力单元即cohesive单元，cohesive单元的损伤起始判定准则采用二次名义应力失效准则，损伤演化采用基于能量的线性衰减模型。
10、进一步地，步骤s2包括：
11、固定铺设角度变量，选取上、下面板厚度变量的取值；设置复合材料层合板的单层厚度t，以单层厚度t等分上、下面板，确定上、下面板的铺层层数，构建复合材料夹芯结构模型并进行水下冲击仿真；根据评估指标筛选出水下抗冲击性能最优的上、下面板厚度值；
12、固定上、下面板厚度值变量，通过改变铺设角度增量控制铺设角度，构建复合材料夹芯结构模型并进行水下冲击仿真；根据评估指标筛选出水下抗冲击性能最优的铺设角增量；
13、基于筛选出的上、下面板厚度值、铺设角增量确定最优复合材料面板设计参数。
14、进一步地，步骤s3包括：
15、根据工程应用的实际使用需求，确定多个芯层厚度取值，选择多种芯层材料；
16、针对存在多种密度的同一芯层材料进行准静态试验，获取不同密度下的应力应变曲线参数；
17、多种密度的同一芯层材料分别基于上述确定的多个芯层厚度取值构建复合材料夹芯结构模型并进行水下冲击仿真，根据评估指标筛选出该芯层材料水下抗冲击性能最优的芯层厚度取值和对应材料密度；
18、比对多种芯层材料所构建的复合材料夹芯结构模型，根据评估指标筛选出水下抗冲击性能最优的芯层材料；
19、基于筛选出的芯层材料、芯层厚度取值和材料密度确定最优芯层结构设计参数。
20、进一步地，所述的水下冲击仿真，包括：
21、利用abaqus软件采用采声-固耦合算法模拟水下冲击，通过赋予弹片初速度撞击活塞，在激波管中产生的平面冲击波；
22、复合材料夹芯结构模型为背空状态，即复合材料夹芯结构模型受冲击的一侧为水域，另一侧为空气域；水域和空气域采用欧拉单元，靶板采用的拉格朗日单元；
23、对欧拉域的边界条件施加自由且无反射的边界条件，复合材料夹芯结构模型的边界条件采用固支；
24、通过改变弹片的初始速度来控制冲击波峰值压力，改变弹片和活塞的质量来调节冲击波的衰减时间；根据泰勒的一维冲击波理论，激波管中的冲击波压力随时间变化关系：
25、
26、式中：p0为水下冲击波压力峰值，θ为衰减时间常数，t为时间；
27、当水下冲击波撞击静止板的脉冲可以表示为：
28、
29、脉冲归一化参数i可以表示为：
30、
31、式中：ρw和cw分别表示水密度和水下声速，a加载面积；通过i衡量输入水下冲击波载荷大小，根据实际工况面临的冲击载荷，确定i和弹片冲击速度。
32、进一步地，所述的根据评估指标筛选，具体为：
33、基于破坏模式判断复合材料夹芯结构模型破坏程度是否严重，若严重则舍弃该夹芯结构设计方案；
34、对于未发生严重破坏的夹芯结构，采用总中点归一化挠度响应指标进行评估，当总中点归一化挠度响应指标最小时，则认为夹芯结构抗冲性能最优，选择总中点归一化挠度响应指标最小及其附近的夹芯结构设计参数。
35、进一步地，所述的总中点归一化挠度响应指标，具体为：
36、
37、式中：δf、δr为上、下面板的中点挠度；δc为夹芯板的芯材压缩量；芯层压缩量δc＝hic-hrc，hic芯材初始厚度，hrc芯材压缩后残余厚度，rt＝33mm夹芯结构的装载面积半径，即水域与夹芯结构接触面积的半径。
38、和现有技术相比，本发明有益效果：
39、本发明提供一种面向强冲击环境下的复合材料夹芯结构设计方法，以提高抗高压高应变率极端载荷的冲击防护材料的设计水平。主要采用有限元方法进行参数化建模和水下冲击仿真，缩短复合材料夹芯防护材料研制周期并降低成本，研究增韧复合材料夹芯结构在复杂冲击波载荷下的变形机制和失效模式，为抗冲击防护材料和结构设计提供指导。
1.一种面向强冲击环境下的复合材料夹芯结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的面向强冲击环境下的复合材料夹芯结构设计方法，其特征在于，所述的建立复合材料面板的损伤本构模型，具体为：编写用户自定义材料行为的vumat子程序构建本构模型，复合材料的损伤起始判定准则采用hashin失效准则，其损伤演化采用基于应变能释放的渐进退化模型；在复合材料面板和芯层材料之间插入界面粘聚力单元即cohesive单元，cohesive单元的损伤起始判定准则采用二次名义应力失效准则，损伤演化采用基于能量的线性衰减模型。
3.根据权利要求1所述的面向强冲击环境下的复合材料夹芯结构设计方法，其特征在于，步骤s2包括：
4.根据权利要求1所述的面向强冲击环境下的复合材料夹芯结构设计方法，其特征在于，步骤s3包括：
5.根据权利要求1至4任一所述的面向强冲击环境下的复合材料夹芯结构设计方法，其特征在于，所述的水下冲击仿真，包括：
6.根据权利要求1至4任一所述的面向强冲击环境下的复合材料夹芯结构设计方法，其特征在于，所述的根据评估指标筛选，具体为：
7.根据权利要求6任一所述的面向强冲击环境下的复合材料夹芯结构设计方法，其特征在于，所述的总中点归一化挠度响应指标，具体为：
