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。     

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。     

2D周期蜂窝结构面内静动态压缩力学行为研究

基于"平板开缝-装配-焊接"工艺制备了以高聚物为基体的Kagome等蜂窝结构,并开展了Kagome,正三角形和菱形蜂窝结构的面内准静态压缩力学行为实验研究,实验过程中应用CCD图像采集系统和图像相关法对试件进行了全场位移监测.另外对比传统正六边形蜂窝,采用数值分析技术,模拟了低速冲击下不同蜂窝结构坍塌行为.实验结果和数值模拟均揭示了在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下, Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于其它3种蜂窝结构,并发现了Kagome蜂窝压缩变形时所特有的局部蜂窝旋转变形.研究结果表明改变蜂窝形状和周期性排布会对蜂窝结构整体的变形模式以及能量吸收性能产生较大的影响.     

基于水平土拱效应的桩间挡土板土压力计算研究

基于``平板开缝-装配-焊接'工艺制备了以高聚物为基体的Kagome等蜂窝结构，并开展 了Kagome, 正三角形和菱形蜂窝结构的面内准静态压缩力学行为实验研究，实验过程中应用 CCD图像采集系统和图像相关法对试件进行了全场位移监测. 另外对比传统正六边形蜂窝， 采用数值分析技术，模拟了低速冲击下不同蜂窝结构坍塌行为. 实验结果和数值模拟均 揭示了在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下，Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于 其它3种蜂窝结构，并发现了Kagome蜂窝压缩变形时所特有的局部蜂窝旋转变形. 研究结果 表明改变蜂窝形状和周期性排布会对蜂窝结构整体的变形模式以及能量吸收性能产生较大的 影响.     

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。     

胞孔构型对金属蜂窝动态力学性能的影响机理

采用ANSYS/LS-DYNA有限元研究了具有不同胞孔构型和排列方式的金属蜂窝材料在面内冲击荷载下的力学性能。在蜂窝的相对密度和冲击速度保持恒定的情况下,比较了它们的变形模式、动态承载力和能量吸收性能。结果表明,不同的胞孔构型导致在蜂窝压垮过程中胞壁的受力状态不同,从而影响蜂窝的宏观力学性能。根据胞壁的应力状态,可将蜂窝分为膜力主导蜂窝和弯曲主导蜂窝2大类。研究结果显示,蜂窝吸收的能量绝大部分转化为变形所需的内能,并且膜力主导蜂窝的内能占总能量的百分比更大。胞壁的屈曲导致膜力主导蜂窝的应力应变曲线呈现较大的波动。膜力主导蜂窝在变形过程中其胞壁会耗散更多的内能,从而比弯曲主导蜂窝具有更高的动态承载力和能量吸收能力。     

负泊松比蜂窝材料的动力学响应及能量吸收特性

针对传统正方形蜂窝，通过用更小的双向内凹结构胞元替代原蜂窝材料的结构节点，得到了一种具有负泊松比特性的节点层级蜂窝材料模型。利用显式动力有限元方法，研究了冲击荷载作用下该负泊松比蜂窝结构的动力学响应及能量吸收特性。研究结果表明，除了冲击速度和相对密度，负泊松比蜂窝材料的动力学性能亦取决于胞元微结构。与正方形蜂窝相比，该负泊松比层级蜂窝材料的动态承载能力和能量吸收能力明显增强。在中低速冲击下，试件表现为拉胀材料明显的"颈缩"现象，并展示出负泊松比材料独特的平台应力增强效应。基于能量吸收效率方法和一维冲击波理论，给出了负泊松比蜂窝材料的密实应变和动态平台应力的经验公式，以预测该蜂窝材料的动态承载能力。本文的研究将为负泊松比多胞材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供新的设计思路。     

面外压力下蜂窝结构弹性屈曲临界载荷

1 引言蜂窝结构越来越广泛地用于船舶、车辆、飞机、航天器、大型空间站,并被用作能量吸收器件.例如,航天器登陆舱上,用蜂窝结构吸收冲击能量.蜂窝结构在面内及面外(面外即图1(a)的z 方向)载荷作用下的强度和稳定性分析,在工程实践中有重要意义.面内载荷作用下蜂窝结构的强度分析、弹塑性屈曲和断裂特性的研究,近年来发展较快.面外压力下蜂窝结构的弹性屈曲分析,目前还没有理论分析模型,只有半经验     

梯度变化对密度梯度蜂窝材料力学性能的影响

为确定一定质量蜂窝材料的密度梯度大小对材料能量吸收性能的影响,基于二维圆环系,通过改 变圆环的壁厚,建立了具有不同密度梯度的二维密度梯度圆环蜂窝材料模型。在此基础上讨论了不同冲击速 度下,密度梯度大小对蜂窝材料能量吸收特性的影响。研究结果表明,对于相对密度从冲击端到固定端递减 的情况,在高速冲击条件下,梯度系数越大,材料单位质量的能量吸收率越高。研究结果可为完善密度梯度 蜂窝材料动力学性能的设计提供参考。     

缺陷分布不均匀性对蜂窝材料面内冲击性能的影响

利用显式动力有限元方法数值讨论了缺陷（胞壁缺失）分布不均匀性对蜂窝材料面内冲击性能的影响。首先，参考理想六边形蜂窝材料在不同冲击速度下的变形特性，将蜂窝材料划分成9个区域,在此基础上讨论了缺陷分布在不同区域时对蜂窝材料面内冲击性能的影响。研究表明，在冲击载荷作用下，除了缺失率以外，蜂窝材料的面内冲击性能也依赖于缺陷的分布，且在中低冲击速度时表现出更高的敏感性。随着缺失率的增加，蜂窝材料的平台应力明显减小，而平台应力对缺失率及冲击速度的敏感性依赖于缺陷的位置。该结论对蜂窝材料的安全性评估及动力学优化设计具有一定的指导意义。     

泡沫结构阻尼仪板动态性能试验分析

本文对一种新型塑料加粘弹材料的复合夹芯减振仪表板的动力性能进行了分析,通过振动试验测试了系统的动力响应,分析其响应总均方根和频率特性,表明复合结构粘弹阻尼仪表板系统具有较好的动力性能,可有效地衰减振动能量。根据对不同结构的泡沫塑料复合结构粘弹阻尼仪表板的试验数据进行比较,证实增加粘弹材料,系统的动力性能可以有极大改善。     

聚乙烯泡沫单填充纸瓦楞管的轴向跌落冲击缓冲吸能特性

利用聚乙烯闭孔泡沫单填充纸瓦楞管开展轴向跌落冲击试验，对比分析了结构参数和冲击参数对其缓冲吸能特性参数（比吸能、行程利用率、压缩力效率、比总体效率）的影响。结果表明，X向单填充管的动态缓冲吸能特性优于Y向单填充管，而静态缓冲吸能特性差于Y向单填充管。正四边形单填充管的动态缓冲吸能特性优于正五、六边形单填充管，X向正四边形单填充管的比吸能相较于正五、六边形管分别提高了114.4%和182.3%。对于跌落冲击压缩，单填充管的比吸能、行程利用率、比总体效率随着管长比的增大而减小，管长比为1.4的X向单填充管的比吸能相较于管长比为2.2和3.0的单填充管分别增加了45.8%和117.9%，而压缩力效率随着管长比的增大而增大。随着跌落冲击质量或冲击能量的增加，比吸能、行程利用率、压缩力效率和比总体效率皆呈增大趋势，冲击质量对X向单填充管的影响较大，而冲击速度则对Y向单填充管的影响较大。     

多孔材料吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性

多孔材料是一种优异的吸能缓冲材料，但由于其变形模式的非单一性以及动态应力应变曲线的难获取性，其吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性关系还并不完全明朗。本文基于不需要提前作本构假定的波传播法，开展了多孔材料的吸能行为研究。采用多孔材料的细观有限元模型进行Taylor冲击虚拟实验，获取全场质点速度时程曲线，结合Lagrange分析法得到多孔材料的局部应力应变信息，进而探讨了动态吸能性能对材料相对密度和冲击速度的依赖性。研究结果表明多孔材料的吸能行为可依据变形模式分为三个阶段。在冲击模式下，多孔材料单位体积吸能与相对密度成线性增加关系，此时惯性起主导作用；在过渡模式下，惯性的主导作用减弱，单位体积吸能量的增加速率随相对密度的增加而减弱；在准静态模式下，多孔材料只能发生微小的变形，其吸能很少。本文进一步获得了区别于多孔材料准静态应力-应变曲线的动态应力-应变状态曲线，并考察了其与相对密度之间的关系。结果表明：随着相对密度的增加，多孔材料的动态压实应变将变小，而动态塑性平台应力将提高。     

纳米流控能量吸收耗散系统

基于纳米流控行为设计的新一代能量吸收耗散系统(nanofluidic en-ergy absorption system,NEAS)将会比传统吸能材料具有更高的能量吸收密度,而且还可以重复使用,特别是在小体积应用环境下具有显著的优势.本文从实验和计算模拟两方面综述了目前关于NEAS能量吸收耗散行为的最新研究进展,其中实验研究主要包括准静态压缩和动态压缩测试,计算模拟研究主要是采用基于经验势的分于动力学模拟方法.通过准静态压缩实验,可以测量NEAS模型的载荷–位移关系曲线,从而获得NEAS模型的临界渗透压强,了解卸载后系统是否能够恢复到加载前的状态(即是否可以重复使用),井通过载荷–位移关系曲线下面积估算NEAS模型的吸能密度;通过动态压缩实验可以测量NEAS模型对脉冲载荷的缓冲保护作用,主要体现为降低脉冲载荷幅值和扩展脉冲宽度.计算模型研究可以明确给出NEAS对外载荷的微观响应,从而可以准确了解NEAS的能量吸收耗散机制以及吸能密度的主要影响因素.本研究可以帮助我们全面了解NEAS的研究进展,为NEAS的设计与优化提供重要指导.     

Nanofluidic energy absorption system: A review

基于纳米流控行为设计的新一代能量吸收耗散系统（nanofluidic en-ergy absorption system,NEAS）将会比传统吸能材料具有更高的能量吸收密度,而且还可以重复使用,特别是在小体积应用环境下具有显著的优势.本文从实验和计算模拟两方面综述了目前关于NEAS能量吸收耗散行为的最新研究进展,其中实验研究主要包括准静态压缩和动态压缩测试,计算模拟研究主要是采用基于经验势的分子动力学模拟方法.通过准静态压缩实验,可以测量NEAS模型的载荷–位移关系曲线,从而获得NEAS模型的临界渗透压强,了解卸载后系统是否能够恢复到加载前的状态（即是否可以重复使用）,并通过载荷–位移关系曲线下面积估算NEAS模型的吸能密度;通过动态压缩实验可以测量NEAS模型对脉冲载荷的缓冲保护作用,主要体现为降低脉冲载荷幅值和扩展脉冲宽度.计算模型研究可以明确给出NEAS对外载荷的微观响应,从而可以准确了解NEAS的能量吸收耗散机制以及吸能密度的主要影响因素.本研究可以帮助我们全面了解NEAS的研究进展,为NEAS的设计与优化提供重要指导.     

负高斯曲率曲面薄壁管吸能特性研究

为设计出具备优良吸能特性的薄壁结构,提出一种新型负高斯曲率曲面圆形横截面薄壁管(negative Gaussian curvature surface circular tube, NGC-C)。利用经验证的有限元分析方法对其进行轴向动态冲击模拟,提取各项性能指标,借助复杂比例评估法(complex proportion assessment, COPRAS)将其与传统薄壁吸能结构进行了综合性能对比。采用拉丁超立方抽样法从设计空间中提取样本点并获取各样本点对应性能响应值,建立代理模型。基于该代理模型,借助改进非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-Ⅱ)对其进行了多目标优化设计。结果表明:NGC-C综合性能优于传统薄壁吸能结构,经优化后比吸能提高了16.47%,有效压溃长度降低了12.40%,质量减少了20.18%。将负高斯曲率曲面形态引入薄壁管构型,能够提高薄壁管的耐撞性和轴向抗变形能力。     

软质聚氨酯泡沫的动态压缩力学性能和本构模型

采用Instron 9350落锤试验机研究了中低应变率下软质聚氨酯泡沫的动态压缩力学性能,分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性,讨论了应变率对材料应变率敏感性指数和能量吸收特性的影响,并基于实验结果建立了可准确描述其压缩力学响应的率相关本构模型。结果表明,软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应具有典型的三阶段特征,且呈现出明显的应变率强化效应。准静态加载下,材料具有较高的吸能效率但能量吸收值较小,应变率对最大吸能效率和比吸能的影响较小;动态加载下,随着应变率的增加,最大吸能效率显著减小而比吸能明显增大。考虑应变率影响的修正Sherwood-Frost模型和修正Avalle模型都能够很好地表征软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应,但修正Avalle模型的参数较少,更便于工程应用。研究结果可为软质聚氨酯泡沫抗冲击结构的设计和优化提供指导。     

An Experimental Study of the Dynamic Elasto-Plastic Contact Behavior of Dimer Metallic Granules

Studying the dynamic elasto-plastic contact behavior of dimer metallic granules, defined as contacting beads of either different size or material, is important for understanding the behavior of heterogeneous granular systems such as periodic or multi-phase systems. In this paper, the dynamic contact response of dimer bead pairs was experimentally studied using a split Hopkinson pressure bar apparatus. Two types of dimer combinations were subjected to dynamic loading: dimers with the same bead size but different materials (material dimers), and dimers of the same material but different size (size dimers). Dynamic elasto-plastic contact force-displacement curves, post mortem images of yielded contact area, residual contact deformation, and energy absorption during the impact process were measured in each case. It was found that the dynamic contact behavior of the material dimers is controlled by the material with lower yield strength, and can be well described by existing elasto-plastic contact models. In contrast, the size dimers show a complex deformation process that cannot be described by current theoretical models. It was also seen that the strain rate sensitivity of the material itself affects the dynamic yield process of size dimer pairs, and their radius ratio shows a linear effect on the residual deformation and energy transmitted ratio.     

ENERGY ABSORPTION CONTROL CHARACTERISTICS OF AL THIN-WALLED TUBES UNDER IMPACT LOAD

An experimental investigation was carried out to study the energy absorption characteristics of thin-walled square tubes subjected to dynamic crushing by impact loading to develop the optimum structural members. Here, the controller is introduced to improve and control the absorbed energy of thin-walled square tubes in this paper. When the controller were used, the experimental results of crushing of square tubes controlled by the controller＇s elements showed a good candidate for a controllable energy absorption capability in impact crushing.     

金属梁在预应力下的冲击响应

工程结构在使用过程中，大部分构件处于预应力状态。为了理清预应力对金属梁在冲击载荷作用下响应的影响机理，对不同轴向预应力条件和不同冲击强度下金属梁的塑性变形规律进行了研究。通过自主设计的预应力加载装置和落锤试验机，实现对金属梁的预应力控制和冲击加载；借助商用软件建立数值模型，对相关工况进行模拟。数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。通过对梁的剩余挠度进行对比发现，压预应力状态下的梁受冲击载荷作用所产生的中点剩余挠度会比无预应力时更大；而拉预应力状态下的梁，挠度的变化量与预应力之间没有较一致的规律。从能量角度进行分析发现，梁的塑性变形能来自外加动能和初始内能，外加动能的能量比越高，梁的能量吸收率就越高，且在低能量比时，压预应力下的能量吸收率相对较高，拉预应力下的相对较低；高能量比时，预应力对能量吸收率几乎无影响。压预应力下，梁的极限弯矩增大，长度缩小，增大了的塑性变形能分布在长度缩小了的梁内，必然会导致更大的剩余挠度；拉预应力下，梁的极限弯矩减小，长度增大，增大了的塑性变形能分布在长度增大了的梁内，剩余挠度则没有显而易见的规律。这在一定程度上解释了预应力对冲击载荷作用下金属梁变形的影响机理。