负泊松比蜂窝面内动态压缩行为与吸能特性研究

利用有限元软件ANSYS-LSDYNA研究了负泊松比蜂窝结构面内冲击动力学特性.在壁长和相对密度不变的前提下,建立了负泊松比蜂窝模型;通过改变胞元扩展角,讨论了冲击速度对蜂窝材料面内冲击变形模式和能量吸收能力的影响.数值研究发现,冲击载荷作用下负泊松比蜂窝结构的面内冲击性能更多依赖于冲击速度.提高冲击速度,冲击端的峰值应力、平台应力、试件的比吸能均增高;但在相同冲击速度下,冲击端和支撑端的峰值应力、平台应力、试件的比吸能均随胞元扩展角的增大而降低.     

分层密度梯度蜂窝材料面内动态压缩及吸能特性

基于功能梯度材料概念,通过逐层改变蜂窝胞元壁厚,建立具有固定质量的分层密度梯度六边形蜂窝材料模型.在此基础上,对分层密度梯度六边形蜂窝材料面内冲击性能进行分析,重点讨论了不同冲击速度下密度梯度方向、大小对蜂窝材料压缩变形模式及吸能特性的影响.研究表明:中低速时,密度梯度的变化使得蜂窝材料变形模式及名义应力-应变曲线产生了明显变化,高速时,密度梯度影响较小;吸能方面,不同冲击速度下正密度梯度蜂窝均表现为后段程吸能,而负密度梯度蜂窝材料在中低速和高速冲击时表现是不同的,分别为后段程吸能和前段程吸能;梯度指数越大,蜂窝材料前后段程吸能效率差异越大.通过密度梯度的设计,实现满足不同工程要求的密度梯度蜂窝材料的设计.     

含随机填充孔圆形蜂窝结构的面内冲击性能

研究多孔材料细观结构与宏观力学性能之间的关系, 建立具有固定相对密度的含随机固体填充孔的圆形蜂窝结构模型。在此模型的基础上具体讨论了不同孔洞填充比和冲击速度对圆形蜂窝结构变形模式、动态冲击平台应力以及能量吸收性能的影响。研究结果表明:填充孔在蜂窝变形过程中有局部牵制作用, 蜂窝材料变形模式仍为准静态模式、过渡模式、动态模式; 当变形模式为过渡模式或动态模式时, 结构的平台应力与速度的平方成线性关系, 存在明显的速度效应; 高速冲击下, 含固体填充孔的蜂窝结构单位质量吸收的能量高于规则蜂窝结构。研究结果可为蜂窝材料的研究和设计提供参考。     

梯度蜂窝面外动态压缩力学行为与吸能特性研究

蜂窝材料具有优异的抗冲击吸能特性.为进一步提高蜂窝材料的比吸能与压缩力效率,提出了一种几何参数或材料参数沿厚度方向梯度渐变的蜂窝材料模型,并针对六边形蜂窝构型研究了胞元壁厚和屈服强度梯度变化的蜂窝材料在面外动态压缩载荷下的力学行为与吸能特性.研究结果表明,通过调控梯度变化的指数,胞元壁厚或母体材料屈服强度的梯度设计均可有效降低初始峰值应力,并使蜂窝材料的比吸能和压缩力效率同时增大.研究结果可为蜂窝材料的防撞性优化设计提供新的思路.     

关于蜂窝结构面内剪切模量的注记

本文指出Gibson等提出的等壁厚峰窝结构在面内剪力作用下的单元分析不满足平衡条件.本文建立了等壁厚与非等壁厚峰窝结构在面内剪力作用下的合理的单元分析,导出了蜂窝结构面内折合剪切模量G_(xy)的计算公式.本文结果与实验数据符合得很好.     

四边手性蜂窝动态压溃行为的数值模拟

建立了四边手性蜂窝的有限元模型,采用数值模拟方法研究了四边手性蜂窝在不同冲击速度下的变形模式和能量吸收等动力学响应特性,并同普通六边形蜂窝的冲击行为进行了对比。计算得到了这2种蜂窝的变形模式图、动力响应曲线和能量吸收曲线。模拟结果表明：低速冲击下,四边形手性蜂窝的变形模式为“Z”字形;高速冲击下,四边手性蜂窝的变形模式与普通蜂窝的“I”字形模式类似;在适中速度的冲击下,四边手性蜂窝表现出兼具高速冲击和低速冲击特征的一种过渡态变形模式;随着冲击速度的提高,局部变形带由固定端向冲击端移动,并且能量吸收能力也随之提高;在中、低速度的冲击下,能够观察到拉胀材料压缩时特有的“缩颈”现象。

     

功能梯度三周期极小曲面静动态力学特性

功能梯度设计能够有效提高结构的力学特性及吸能性能. 为探讨功能梯度极小曲面结构在静动态载荷下的力学响应以及梯度壁厚分布方式对其力学特性的影响规律, 构建了包含线性梯度和多种非线性梯度(对数梯度、Sigmoid梯度以及指数梯度) Gyroid结构, 通过3D打印光敏树脂制备样件开展了准静态压缩试验, 采用LS-DYNA构建仿真模型并与试验结果对比, 验证了仿真方法的有效性. 研究发现, 功能梯度壁厚分布方式显著影响结构力学性能及变形模式. 在准静态压缩下, 功能梯度结构呈现逐层压溃的变形模式, 在接触端产生局部的致密化带, 这一模式导致梯度结构吸能特性有一定提升. 基于准静态测试数据以及试验变形模式分析, 构建了Gibson-Ashby模型, 揭示了均质结构弹性模量和屈服强度随等效密度的变化规律; 利用该Gibson-Ashby模型, 预测了功能梯度结构屈服强度, 并构建等应力模型预测了梯度结构的弹性模量, 预测结果与实验值具有良好的一致性. 对于其动态力学性能, 构建了4种冲击速度仿真模型, 深入探讨不同冲击速度对梯度结构力学性能的影响规律. 功能梯度结构在高速冲击下, 由于其壁厚逐层递增的特性, 其局部压溃现象更为明显, 导致其在高速冲击下的致密化应变显著增大, 其吸能特性也有所提升. 其中, 对数梯度结构具有最高的屈服强度, 而Sigmoid梯度结构具有最高的平均平台应力和吸能特性, 其比吸能特性为13.01 J/g, 相较于相对密度为45% 的均质结构而言提升了45%. 此外, 基于刚性-完美塑性-锁定模型对梯度结构的动态平台应力进行拟合预测, 拟合结果与仿真结果吻合度较高, 为预测功能梯度结构的动态力学响应提供了计算方法.     

蜂窝夹芯结构冲击损伤后的压缩行为研究

通过试验结合有限元方法,针对蜂窝夹芯结构的无损件和三种冲击损伤件开展了单轴压缩载荷下的失效模式研究,同时考虑了胶层性能与损伤尺寸的影响。研究结果表明：试验和有限元方法得到的损伤模式及起始损伤位置相同;不同冲击损伤位置可导致结构的整体承载能力不同,下降的范围为10%~20%。其中：损伤位于顶面区时承载能力下降最为严重,损伤位于边缘区时承载能力下降最少;面芯界面胶层性能的不同会使结构材料破坏顺序改变,胶层断裂能较低时夹芯结构由蜂窝芯破坏向层间破坏转变;冲击能量不同引起结构损伤程度不同,随着损伤深度的增加,结构破坏的危险位置由中心转向边缘。     

蜂窝夹芯板与Whipple结构对撞击能量吸收与耗散的特性比较

通过数值仿真模拟弹丸高速撞击蜂窝夹芯板和Whipple结构,研究蜂窝芯对弹丸碎片云形态的影响;并研究了弹丸、蜂窝夹芯板、Whipple结构的能量吸收与耗散.结果表明:弹丸撞击蜂窝夹芯板后碎片云形态呈近似椭球体,且长半轴明显较长,而弹丸撞击Whipple结构的碎片云形态呈近似球体;蜂窝芯吸收的能量随弹丸的破碎程度的增强而增加;弹丸能量衰减主要发生在撞击蜂窝夹芯板的前后面板和Whipple结构的两层板,蜂窝芯的吸能作用使得Whipple结构吸收的能量高于蜂窝夹心板面板吸收的能量.     

具有负泊松比效应蜂窝材料的面内冲击动力学性能

基于显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA,研究了面内冲击作用下具有负泊松比效应蜂窝材料的动态冲击性能。在保证胞元壁长和壁厚不变的前提下,通过改变胞元扩张角,建立了内凹六边形蜂窝模型。具体讨论了胞元扩张角和冲击速度对蜂窝材料面内冲击变形和能量吸收能力的影响。研究发现,在冲击载荷作用下,内凹蜂窝材料的面内冲击性能依赖于胞元扩张角。胞元扩张角的绝对值越大,冲击端的平台应力越高。随着冲击速度的提高,蜂窝材料表现出更强的能量吸收能力。     

铝蜂窝结构单向压缩、失稳和破坏机制研究

采用结构代表胞元模型数值模拟了在没相对密度范围的单型铝蜂窝结构在单向压缩过程中的变形、失稳和破坏现象。我们推广了转角刚度方法,并结合数值模拟结果分析了结构失稳和破坏的三种不同特征及相应 拗观力学机制,计算了结构代表胞元开始失稳分岔时的宏观应力σT,其值与有限元数值计算和实验得到的结构宏观极限应力σu一致吻合。     

皮肤组织压缩行为与热损伤的相关性

皮肤组织生物热力学是一门涉及生物传热、烧伤、生物力学和生理神经学等的高度交叉的新兴学科.皮肤组织的热力学性能表征对皮肤组织生物热力学的建立和完善以及许多医学应用领域都具有相当重要的作用.然而,目前对于皮肤组织力学性质和温度之间的量化关系却几乎没有开展研究,试图揭示高温引发的热损伤对皮肤组织力学性能影响的研究也相当少.该文重点描述了猪皮在各种热损伤度下的压缩行为,讨论了与热损伤与皮肤压缩行为的相关性及机理.结果表明:皮肤的刚度随热损伤度的提高而下降,并且具有不同损伤度下的应变速率敏感性,这些特性主要是由皮肤的水合作用变化所引起的.     

TEMPERATURE SENSITIVITY AND PREDICTION OF THE MECHANICAL BEHAVIORS OF ULTRAFINE GRAINED ALUMINUM UNDER UNIAXIAL COMPRESSION

In the present work, we explore the strain hardening behaviors as well as the effect of temperature on the plastic deformation of ultrafine grained aluminum. The temperature sensitivity is determined and compared with that of coarse grained material. The results indicate that the flow stress of ultrafine grained aluminum displays enhanced sensitivity to temperature. The reduction in activation volume is suggested to be the major reason for the enhanced temperature sensitivity as grain size is refined into the sub-micrometer regime. Finally, a phenomenological constitutive model is proposed to describe the post-yield response of ultrafine grained aluminum.     

圆弧曲边六边形蜂窝结构吸能特性研究

为提升金属蜂窝结构的冲击吸能特性,提出了圆弧曲边六边形蜂窝结构。建立了显式有限元模型,对面内和面外冲击下的失效模式和吸能特性进行了研究,分析了冲击速度等对冲击吸能特性的影响规律。结果表明在面外冲击情况下,曲边蜂窝具有比传统蜂窝结构更优异的吸能性能;面内冲击情况下,会出现“X”型、“V”型和“一”字型变形带等不同失效形式;冲击速度较大时,变形模式趋近于“一”字型;吸能能力随着冲击速度的增大而增加。

     

正交各向异性Kagome蜂窝材料宏观等效力学性能

由于微结构的布局和尺寸的方向性,人造和天然的蜂窝材料都会不同程度呈现各向异性,其中正交各向异性的蜂窝材料较为常见.该文采用桁架模型推导了正交各向异性Kagome单胞蜂窝材料等效刚度和强度的解析表达式,给出了初始屈服函数和近似弹性屈曲强度,讨论了等效刚度与各向异性率和相对密度的关系.等效刚度的解析结果与单胞壁杆采用梁单元建模的刚架模型均匀化结果进行比较,结果令人满意.需要说明的是这类"组合蜂窝"材料具有多功能性和潜在的可设计性,正在受到人们关注.     

纤维增强韧性基体界面力学行为

分析了纤维增强韧性基体的界面力学行为及其失效机理.按剪滞理论和应变硬化规律研究微复合材料的弹塑性变形和应力状态.讨论了幂硬化和线性硬化基体的弹塑性变形和界面应力分布,并给出纤维应力和位移的表达式.按最大剪应力强度理论建立了纤维/基体界面失效准则,推导出弹塑性界面失效的平均剪应力随纤维埋入长度的变化关系.     

岩样单轴压缩变形破坏与能量特征研究

基于在伺服试验机上得到的同直径不同长度大理岩样的单轴压缩试验结果,研究了尺寸对岩石变形破坏与能量特征的影响规律.结果表明,岩石长度对峰值应力前的轴向变形特性没有显著影响,但明显改变峰后的轴向变形特性;岩样长度对峰后塑性变形特性影响不大;直径一定时随着长度的增大,岩样破裂形式由竖向劈裂变为剪切破坏.随着长径比的增加,岩石破坏应变能呈幂律衰减趋势,且当长径比增加至2以后,便基本趋于恒定,不再明显减小;而岩石破坏能呈先减小后增大的非线性变化趋势.     

聚氨酯泡沫塑料在应力波加载下的压缩力学性能研究

通过ＳＨＰＢ冲击实验装置研究了硬质聚氨酯泡沫塑料在应力波加载下的动态力学性能，得到了泡沫塑料在较高应变率下的应力－应变曲线；确定了泡沫塑料的动态屈服强度和动态弹性模量等力学参数，并同落锤冲击实验及准静态压缩实验的结果进行了比较。     

高温后高强高性能混凝土双轴压力学性能

利用大型静动真三轴试验机,进行了常温20${^\circ}$C以及200${^\circ}$C$\sim $ 600${^\circ}$C\,6个温度等级高温后高强高性能混凝土在7种应力比双轴压应力状态下的强度与变形试验.测得了双轴主压方向的静态强度、峰值应变与应力应变曲线,剖析了温度和应力比对单、双轴压强度与峰值应变发展趋势的影响规律性以及试件破坏形态. 试验结果表明:随温度的升高,高强高性能混凝土的单轴压减摩强度并不一定降低;双轴压强度相对于单轴压强度的提高倍数取决于应力比、不同温度等级后的高强高性能混凝土``脆硬性'. 提出了带有温度和应力比参数的Kupfer-Gerstle破坏准则公式.      

TRANSIENT RESPONSE OF COPLANAR INTERFACIAL CRACKS BETWEEN TWO DISSIMILAR PIEZOELECTRIC STRIPS UNDER ANTI-PLANE MECHANICAL AND IN-PLANE ELECTRICAL IMPACTS

The dynamic response of multiple coplanar interface cracks between two dissimilar piezoelectric strips subjected to mechanical and electrical impacts is investigated. Solutions to two kinds of electric boundary conditions on crack surfaces, i.e. electric impermeable and electric permeable, are obtained. Laplace and Fourier transforms and dislocation density functions are employed to reduce the mixed boundary value problem to Cauchy singular integral equations,which can be solved numerically. The effects of electrical load, geometry criterion of piezoelectric strips, relative location of cracks and material properties on the dynamic energy release rate are examined.