高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理

建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合模拟方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明:夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦因数对夹芯梁的动态响应无显著影响。     

撞击载荷下泡沫铝夹芯梁的塑性动力响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支泡沫铝夹芯梁和等质量实体梁的塑性动力响应。 采用激光测速装置和位移传感器测量了泡沫子弹的撞击速度和后面板中心点的位移-时间曲线,研究了加载 冲量、面板厚度和芯层厚度对夹芯梁抗冲击性能的影响。给出了泡沫铝夹芯梁的变形与失效模式,实验结果 表明结构响应对夹芯结构配置比较敏感,后面板中心点的残余变形与加载冲量、面板厚度呈线性关系。与等 质量实体梁的比较表明,泡沫铝夹芯梁具有更好的抗冲击能力。实验结果对多孔金属夹芯结构的优化设计具 有一定的参考价值。     

泡沫金属固支夹芯圆板的大挠度变形分析

论文分析了大挠度情况下固支夹芯圆板在准静态中心荷载作用下的承载能力.提出了考虑芯层强度影响的夹芯结构屈服条件,应用该条件,并基于边界条件和平板的初始变形机制假设夹芯板的速度场,推导了夹芯圆板考虑弯曲和膜力联合作用的大挠度响应,并应用数值算例验证了分析模型的合理性,在此基础上,分析和讨论了面板厚度、芯层厚度和芯层强度对夹芯圆板承载能力的影响.     

高速冲击载荷下梯度金属泡沫夹芯梁的动态响应与失效

采用泡沫弹冲击加载实验对梯度金属泡沫夹芯梁结构开展了不同冲击强度下的动态响应和失效研究，分析了由三种不同密度泡沫铝组成的等面密度的五种不同梯度的夹芯结构在夹支边界条件下的抗高速冲击性能，结合三点弯曲实验，研究梯度效应对夹芯结构抗冲击性能的影响。研究表明：密度梯度对结构的失效过程和失效模式有着明显的影响，且夹芯梁结构的初始失效模式对结构整体响应和主要的能量吸收机制起着主导作用；当冲击条件不足以使得均质芯材发生压缩时，均质及负梯度夹芯结构初始失效模式为整体弯曲变形，低强度芯层位于前两层的梯度结构随着冲击强度的变化出现不同程度的局部芯层压缩；当冲击强度较低时，梯度结构通过丰富的局部失效表现出明显优于均质结构的抗冲击变形能力；当冲击强度大于临界值时，均质结构具有更好的抗冲击变形能力。通过合理地设计密度梯度实现逐层压缩吸能，能够有效的提升防护结构的抗冲击性能。     

空心及PMI泡沫填充铝波纹板夹芯梁冲击性能的数值研究

已有文献在空心及PMI泡沫填充铝波纹夹芯梁受泡沫铝块冲击作用的实验中观察到:泡沫填充夹芯梁在相同的载荷下,比相同重量的空心夹芯梁产生更大的后面板中点塑性永久位移。为了分析实验中观察到的现象并揭示其中的力学机理,本文基于商用有限元软件Abaqus/Explicit对空心及泡沫填充铝波纹夹芯梁在冲击下的动态响应进行了数值模拟研究;通过考察芯体与面板间理想连接和脱粘两种情况,研究了界面粘结性能对夹芯梁抗冲击性能的影响。结果表明,实验结果介于这两种情况的模拟结果之间。通过分析空心及泡沫填充夹芯梁不同子结构的塑性吸能差异,发现填充泡沫后夹芯梁的前面板吸能相对于空心夹芯梁有所减小,而后面板的吸能则相对增加。对两种夹芯梁前后面板中点速度的研究表明,由于填充泡沫的波纹芯体对前后面板的支撑作用增大,减缓了前面板的变形并加剧了后面板的变形,因此通过填充泡沫可以减小夹芯梁前面板的变形和撕裂,然而会增大后面板的塑性永久位移。     

基于最小加速度原理分析点阵材料夹芯梁的弹塑性动力响应

以Lee的有限变形弹塑性连续体的最小加速度原理为基础,结合有限差分法建立了两端铰支轴向不可移的四棱锥夹芯梁受到横向均布冲击载荷时的动力学控制方程,并且考虑了横向剪切效应.通过对简支梁进行弹塑性动力响应数值计算和分析,证明了四棱锥夹芯梁的抗冲击性能明显优于相同质量的实心梁,芯层杆元与面板的夹角对夹芯梁的抗冲击能力有显著影响.所得结果对点阵材料夹芯梁的设计和优化有参考价值.     

泡沫金属夹芯梁在重复冲击下的动态响应

为了研究重复冲击载荷作用下泡沫金属夹芯梁的动态响应,采用Abaqus数值仿真软件,基于可压碎泡沫模型（crushable foam）,建立了泡沫金属夹芯梁遭受楔形质量块冲击的有限元模型。通过将仿真获得的夹芯梁上下面板最终挠度与重复冲击实验结果进行对比,验证仿真方法的准确性。在此基础之上,分析了泡沫金属夹芯梁在楔形质量块重复冲击作用下的变形模式、加卸载过程以及能量耗散特性。结果表明,在重复冲击载荷作用下,夹芯梁的变形不断累积,上面板主要出现局部凹陷和整体弯曲,而芯层则是局部压缩,下面板表现为整体弯曲。在重复加卸载过程中,加卸载刚度随着冲击次数的增加而增大。随着冲击次数的增加,上面板和芯层的能量吸收增量不断减小,而下面板的能量吸收增量不断增加,且最终均趋于稳定。泡沫金属夹芯梁的塑性变形能增量不断减小,而回弹系数随着冲击次数逐渐增加,最后趋于稳定值。     

强冲击载荷下单向加筋板拉伸撕裂的临界条件

针对固支单向加筋板在冲击载荷下的拉伸撕裂临界条件开展研究,首先将均布冲击载荷下的固支单向加筋板简化为带板梁模型,基于固支梁冲击变形理论解给出了加筋板最大永久变形理论解,之后基于复合运动场模型,修正了固支梁端点拉伸应变与最大永久变形关系式,并以等效应变达到失效应变作为拉伸撕裂条件,建立了加筋板在冲击载荷下的拉伸撕裂临界条件。经过数值模拟验证,该最大永久变形理论解和拉伸撕裂临界条件具有适用性,理论与数值误差小于15%。     

轻质金属泡沫夹芯曲板的抗爆炸冲击响应研究

夹芯结构具有高比强度、高比刚度和优异的吸能能力,已经被广泛应用于工程结构用来抵御高强度的爆炸冲击载荷。本文采用有限元数值模拟方法研究了爆炸载荷作用下四边固支夹芯曲板的动力响应。比较了同等质量下夹芯曲板、夹芯平板、实体曲板和实体平板四种结构的抗爆炸冲击性能,讨论了不同曲率和非对称因子对结构动力响应的影响,得到了使得夹芯曲板抗爆炸性能最佳的非对称因子。研究结果表明：夹芯曲板的抗爆炸冲击性能优于等质量的夹芯平板、实体曲板和实体平板结构,增大夹芯曲板的曲率能够提高结构的抗爆炸冲击性能。     

爆炸载荷下分层梯度泡沫铝夹芯板的失效模式与抗冲击性能

采用弹道冲击摆系统开展了爆炸载荷下分层梯度泡沫铝夹芯板的变形/失效模式和抗冲击性能实验研究，并配合激光位移传感器得到试件后面板中心点的挠度-时程响应曲线。研究了炸药当量和芯层组合方式对夹芯板试件变形/失效模式和抗冲击性能的影响。实验结果表明，泡沫铝夹芯板的变形/失效模式主要表现为面板的非弹性大变形，芯层压缩变形、芯层拉伸断裂以及芯层剪切失效。在研究爆炸冲量范围内，非梯度芯层夹芯板的抗冲击性能明显优越于所有分层梯度芯层夹芯板。对于分层梯度夹芯板试件，爆炸冲量较小时芯层组合形式对分层梯度芯层夹芯板的抗冲击性能的影响不大，而爆炸冲量较大时，最大相对密度芯层靠近前面板组合形式的分层梯度夹芯板试件抗冲击性能较好。研究结果可为泡沫金属夹芯结构的优化设计提供参考。     

冲击波和高速破片联合作用下夹芯复合舱壁结构的毁伤特性

为探讨导弹战斗部近炸下舰船夹芯复合舱壁结构设计方法,采用TNT和预制破片近炸实验研究了典型夹芯复合舱壁结构在冲击波与高速破片联合作用下的破坏效应,分析了冲击波和破片联合毁伤载荷,指出了钢质面板和抗弹层的破坏模式,阐述了夹芯复合舱壁结构的防护机理。结果表明:预制破片装药近炸下,破片能远大于冲击波能,是防护结构的主要设计载荷;前面板主要是抵御冲击波,其变形破坏整体为挠曲大变形,局部为集团破片冲塞破口、破片穿孔和撞击凹坑;背板以挠曲大变形吸能为主;陶瓷材料碎裂严重,部分陶瓷碎片反向飞溅撞击前面板;纤维增强复合材料发生了纤维断裂、基体开裂、整体弯曲大变形及分层等破坏,抗弹层应避免产生穿透性破坏。     

编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板在冲击荷载下的动态响应

通过编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板的平头弹冲击实验，分析了结构在不同冲量下的变形失效模式以及结构的抗冲击性能。实验表明复合板的变形失效模式主要表现为:(1)弹性变形；(2)复合板表面嵌入失效及整体塑性大变形；(3)背面纤维拉伸断裂及分层失效。基于实验研究，运用LS-DYNA 971有限元程序对铺层数不同的复合板在冲击载荷作用下的动态响应过程进行了数值模拟，模拟结果与实验吻合较好，子弹作用区域边缘处首先发生近似圆形的嵌入失效，而在板背面发生近似正方形的破坏区域；计算中重点分析了铺层数对结构动力响应的影响，在一定冲量范围内，通过对铺层数的优化，能够有效地减小后面板挠度，提高结构的能量吸收效率，增强结构的抗冲击性能。     

Response and Damage Tolerance of Composite Sandwich Structures under Low Velocity Impact

The deformation and failure response of composite sandwich beams and panels under low velocity impact was reviewed and discussed. Sandwich facesheet materials discussed are unidirectional and woven carbon/epoxy, and woven glass/vinylester composite laminates; sandwich core materials investigated include four types of closed cell PVC foams of various densities, and balsa wood. Sandwich beams were tested in an instrumented drop tower system under various energy levels, where load and strain histories and failure modes were recorded for the various types of beams. Peak loads predicted by spring-mass and energy balance models were in satisfactory agreement with experimental measurements. Failure patterns depend strongly on the impact energy levels and core properties. Failure modes observed include core indentation/cracking, facesheet buckling, delamination within the facesheet, and debonding between the facesheet and core. In the case of sandwich panels, it was shown that static and impact loads of the same magnitude produce very similar far-field deformations. The induced damage is localized and is lower for impact loading than for an equivalent static loading. The load history, predicted by a model based on the sinusoidal shape of the impact load pulse, was in agreement with experimental results. A finite element model was implemented to capture the full response of the panel indentation. The investigation of post impact behavior of sandwich structures shows that, although impact damage may not be readily visible, its effects on the residual mechanical properties of the structure can be quite detrimental.     

随机载荷下碳纤维薄板增强RC梁试验研究

桥梁等钢筋混凝土结构在运营期所受活载为随机载荷。研究随机载荷作用下碳纤维薄板(Carbon Fiber Laminate简称CFL)片材增强钢筋混凝土构件的疲劳性能,对于采用碳纤维薄板技术加固桥梁等混凝土结构有重要的指导意义。本文通过随机载荷作用下碳纤维薄板增强RC梁的三点弯曲疲劳试验,得到了增强梁的S-N曲线和跨中挠度的演化规律,揭示了随机载荷下增强梁的疲劳破坏机理。随机载荷下碳纤维薄板增强RC梁的破坏模式包括钢筋断裂、碳纤维薄板剥离、混凝土压坏等破坏形态,疲劳破坏过程具有明显的损伤成核、稳定扩展、失稳扩展的三阶段发展规律。     

基于红外热成像的编织复合材料低速冲击和冲击后压缩试验研究

针对二维三轴编织复合材料（two-dimensional triaxially braided composite, 2DTBC）在低速冲击和冲击后压缩（compression after impact, CAI）载荷下的损伤失效机理,开展了2DTBC试样的不同能量低速冲击试验以及相应的CAI试验,并采用红外热像仪监测在低速冲击和CAI试验过程中的温升现象。通过C扫描表征了不同能量低速冲击后试样的分层损伤情况,讨论了试样背面温度场分布特性及其随冲击能量的演化规律;对比分析了2DTBC冲击后剩余压缩强度与冲击能量的对应关系,基于数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术监测了CAI试验中的全局应变场,结合热成像、变形场和光学图像数据,阐明了不同能量冲击后2DTBC的压缩失效特性,讨论了基于红外热成像技术表征编织复合材料损伤失效行为的有效性。试验结果显示:编织复合材料低速冲击和CAI试验中的温度场分布图与编织几何构型有明显关联度;低速冲击试验的温升幅值随冲击能量的增加而快速上升,CAI试验的温升现象随着冲击能量的增加而减弱;分层面积随冲击能量的增大而增大,冲击后剩余压缩强度随冲击能量的增大而降低。研究结果表明:红外热成像技术能够很好地捕捉试样破坏瞬间释放断裂能所产生的温升现象,温度场图像相较于全局应变场能更好地捕捉破坏的起始位置和失效特征。     

夹层梁低速冲击下的接触定律与结构响应

在考虑面板面内拉伸刚度等非线性因素的基础上,将夹层梁上面板视为弹塑性地基上的梁,由其平衡方程推导准静态压入接触定律. 进而研究了底面固定于刚性平面的夹层梁的低速冲击响应,验证了所推导的准静态压入接触定律在低速冲击下依然足够精确. 最后,用能量守恒模型,离散模型和连续模型分析了两端简支夹层梁的低速冲击响应以及接触持续时间.同时讨论了冲头与夹层梁质量比和初速度对结构响应以及分析模型适用性的影响. 理论分析结果与数值模拟结果比较表明:推导的接触定律是准确有效的. 给定初速度,质量比很小时,只有连续模型有效,而当质量比较大时3种模型均有效;给定质量,初速度较大时只有连续模型比较有效. 连续模型预测的接触持续时间与初速度无关.