变截面多稳态梁结构减振吸能分析与优化设计

基于多稳态梁结构具有吸能且可重复使用的特点，本文研究包含变截面多稳态梁的单胞结构及其周期性排布的减振吸能效应及其优化设计方法。对多稳态结构进行考虑几何非线性的位移加载/卸载有限元仿真，根据其载荷-位移曲线分析多稳态结构的减振吸能原理，并研究串联与并联周期性排布形式对结构整体吸能特性的影响规律。研究基于多参数调控的变截面梁结构形状表征方法，根据多稳态结构储能特点建立变截面多稳态单胞结构的结构优化模型，通过求解优化问题获得总质量不变条件下最优变截面梁结构形状。进一步地通过对优化结果的有限元分析验证优化的有效性，并对结构进行瞬态冲击荷载下动响应分析，证明多稳态结构的冲击保护作用。     

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。     

高速冲击下薄壁组合结构吸能特性研究

研究了高速冲击下组合薄壁结构的吸能特性。采用显式动力有限元方法模拟薄壁结构在轴向冲击下的动态屈曲并分析其吸能特性,通过在结构上增加诱导缺陷和提出新型组合截面来提高其抗冲击吸能性能。同时对多种模型对比分析,研究了不同诱导缺陷、截面形式对吸能特性的影响,以得到最优化的结构。     

正多边形基多胞薄壁管的吸能特性

多胞薄壁结构具有轻量化、高比吸能的特点，在汽车、轮船、航空航天等领域得到了广泛的应用。已有研究表明结构的耐撞性与结构的拓扑方式及胞元数量密切相关。为了研究结构形状和拓扑优化对其吸能效果的影响，基于正多边形结构，通过内嵌多边形和外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构，并对这两类多胞薄壁结构进行准静态和落锤冲击实验，利用高速相机记录结构的变形模式，并定量分析了结构的吸能特性。实验结果表明:除正三角形二级内嵌四边形所得结构在准静态加载实验后期出现了局部失稳现象外，其余结构在准静态和落锤冲击实验过程中均保持垂直受压，结构变形模式与吸能效果较好。通过比较两类结构的实验结果得出:不论是在准静态加载还是在落锤冲击的情况下，内嵌多边形结构的各项吸能指标都明显优于外接圆管的结构；同等质量的情况下，内嵌四边形结构的吸能效果明显优于内嵌三角形的结构。     

拓扑互锁结构研究现状及展望

拓扑互锁是一种新兴的结构设计理念，因特别的构成和连接方式，具有较优的力学性能，包括杰出的结构韧性、抗裂纹延展及抗局部破坏能力、较好的能量吸收能力等，近年来在众多领域内引起广泛关注。很多学者对此展开多方面的创新研究，取得了很大进展。首先在性能特征方面，目前关于拓扑互锁材料在准静态变形过程中的力学性能的分析研究已经较为全面，结构动态响应的分析也已有所开展；基于力学性能的研究，材料结构优化是近年研究的一个重点、正在系统化地完善之中；在工程应用方面，拓扑互锁结构在工程防护、航天材料、建筑设计、新型材料等一些领域都有应用研究，而且近年呈现出多元化、新颖有趣的趋势。本研究从拓扑互锁结构的优势特点、结构类型和应用等几个方面介绍近年来拓扑互锁结构国内外研究的进展及现状；在分析研究现状的基础上，也对拓扑互锁结构的未来发展趋势及可能拓展的工程应用进行了展望。     

冲击载荷下轻质夹芯拱最大刚度拓扑优化及动力响应

基于双向渐进结构优化方法（bi-directional evolutionary structural optimization,BESO）框架,将传统动态载荷优化法中的内外层迭代引入到ABAQUS-MATLAB平台集成优化中,改进动态载荷拓扑优化流程。对初速度为100 m/s的子弹冲击下的夹芯拱结构进行拓扑优化设计和动力学响应分析。优化后夹芯拱芯层的变形模式可分为3个对称的部分,跨中区域的中部和上部主要发生压缩变形,呈现类三角点阵桁架结构,边界区域上部发生拉伸变形,下部发生压缩变形,呈现C形型结构,跨中和边界之间的过渡区域以拉弯联合变形为主,呈现Y形结构。通过与两种等质量的拱结构对比,分析了3种结构在不同初速度的子弹冲击下结构的挠度以及芯层的能量吸收情况。结果表明:在相同的冲击速度下,优化后的结构挠度最小,芯层比吸能最高;当冲击速度较低时,优化后的结构的抗冲击性能优势并不明显;在所研究的冲击速度范围内,冲击速度越高,优化后结构的抗冲击性能越好。对比对称载荷与非对称载荷（冲击点偏移量为100%）下2种优化结构在不同载荷工况下的动态响应,结果表明:载荷工况不同,得到的最终优化结果也略有所不同,但在相同载荷下结构的响应相差较小,每种工况下得到的优化结果在相应工况下所展现的力学性能略优,但均明显优于传统结构。因此,在对称冲击载荷下优化所得的结构具有一定的普遍性。     

低速冲击下蜂窝铝板的表面变形检测及其吸能特性研究

铝质蜂窝结构由于其优良的物理和机械性能被广泛地应用于工程结构,因而对其力学性能的研究也成为越来越重要的课题。本文通过摆锤冲击实验,研究了蜂窝铝的动态压缩性能及低速冲击吸能特性。结果表明,在球形摆锤冲击下,蜂窝铝结构具有很好的冲击吸能特性,其变形特征与准静态变形类似。研究中通过高速摄像系统和加速度传感器记录摆锤的加速度衰减过程,通过投影光载波技术获得受冲击蜂窝铝板表面的压缩行为和三维变形形貌。最后利用有限元方法进一步分析了蜂窝铝结构中内部损伤形式等实验中无法观测的现象,并对蜂窝铝结构参数对其吸能行为的影响进行了详细的讨论。     

基于扩展多尺度有限元法的含液闭孔材料拓扑优化

基于扩展多尺度有限元方法,提出了含液闭孔结构多尺度拓扑优化方法。该多尺度优化方法旨在研究含液闭孔胞元布局对整体含液闭孔结构力学性能的影响。首先针对含液闭孔结构的整体结构柔顺性问题,采用类似SIMP模型对结构的宏观粗网格等效刚度阵进行插值,建立含液闭孔结构柔顺性的拓扑优化列式;其次,针对含液闭孔材料能够利用胞体内部液体腔体积增量产生变形的特性,提出含液闭孔材料柔性机构的概念,并以结构指定位置方向输出位移为目标,建立液体体积膨胀作用下的含液闭孔柔性机构多尺度拓扑优化数学模型。本文基于自主软件平台SiPESC完成了程序研发,并通过数值算例验证了所提出的拓扑优化方法的有效性。     

纸夹芯和泡沫复合层状结构的动态缓冲吸能特性研究

针对由EPE(Polyethylene foam,聚乙烯泡沫)、瓦楞纸板、蜂窝纸板组成的复合层状结构在跌落冲击载荷作用下的缓冲防护特性,研究了加速度-冲击持续时间曲线、应力-应变曲线的特征,探讨了冲击能量对峰值应力、缓冲吸能特性的影响关系。结果表明,纸瓦楞、纸蜂窝改善了EPE的缓冲吸能特性,纸夹芯和泡沫复合层状结构的峰值应力、单位面积吸能、单位体积吸能、比吸能都随着跌落冲击能量的增加呈线性增加的趋势。在相同跌落冲击条件下,相比瓦楞与EPE复合结构,蜂窝与EPE复合结构的峰值应力平均减少了23.6%,能量吸收率平均提高了8.85%,比吸能平均提高了18.1%,缓冲吸能效果更好。     

金属蜂窝夹层结构抗水下爆炸特性

金属蜂窝夹层结构是一种新型的舰船防护结构,在舰船防护领域具有广阔的应用前景,但目前缺乏对其在实际水下爆炸载荷作用下动态响应的研究。为研究金属蜂窝夹层结构在水下爆炸载荷作用下的动态响应及防护性能,设计并制备了背板加筋蜂窝夹层结构样件以及相应的浮箱,在大型露天水池中进行了水下实爆 实验;通过声固耦合算法对结构响应进行模拟,实验结果与模拟结果吻合良好,随后分析了蜂窝夹层板的变形过程及能量吸收特性,量化了载荷参数（冲击因子）及结构参数（前后面板厚度比和芯体相对密度）对结构动态响应的影响;最后,以蜂窝夹层板的面密度和后面板中心点最大变形的无量纲量为目标函数,使用NSGA-Ⅱ遗传算法对结构进行了多目标优化,得到对应的Pareto前沿。结果表明,随着冲击因子的增大,蜂窝夹层板整体变形显著增大,蜂窝芯体始终是主要的吸能构件,但其吸能占比逐渐降低;随着前后面板厚度比或芯体相对密度的增加,蜂窝夹层结构的最大变形呈现先降低后升高的趋势,同时呈现不同的变形模式,芯体相对密度对结构变形的影响更为显著;对蜂窝夹层结构开展多目标优化可有效降低结构的面密度及最大变形,优化结果可为蜂窝夹层结构的设计选型提供参考。     

重组竹顺纹冲击力学性能研究

重组竹是一种新型竹基复合材料,其力学性能优于落叶松等木材。为评价重组竹在动态加载下的顺纹抗冲击力学性能,以密度1.06 g/cm3、含水率8.52%、龄期3～5年的毛竹基重组竹为研究对象,通过准静态单轴压缩和循环加卸载以及动态加载实验,研究了重组竹加载变形过程、各项力学性能指标以及对应变率的敏感性。结果表明:重组竹顺纹压缩过程可以分为弹性变形和弹塑性变形阶段,破坏类型为延性破坏,其各项强度指标随应变率的提高而提高,动态增长因子与应变率之间呈现线性关系,斜率为0.0024;重组竹压缩过程中的应变比能与应变之间呈线性关系,且随应变率的增长而增大,证明其吸能能力随着应变率的增大而提高。实验结果证明,重组竹顺纹具有良好的抗冲击力学性能和显著的应变率效应。     

泡沫铝率相关本构模型及其在三明治夹芯板冲击吸能特性的应用研究

高孔隙率泡沫铝芯体三明治板具有轻质、高比刚度和减振吸能等优良的力学特性和物理特性,被广泛地应用于碰撞吸能部件上.近年来,高孔隙率泡沫铝在动态压缩下是否具有应变率敏感性成为广大学者的研究焦点.论文建立了横观各向同性率相关本构模型来描述高孔隙率泡沫铝的应变率效应,给出了有限元的计算步骤,基于ABAQUS/Explicit平...     

高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板的爆炸毁伤缓解效应

为研究高聚物牺牲包层对钢筋混凝土结构的爆炸毁伤缓解效应，开展了带高聚物牺牲包层钢筋混凝土板的接触爆炸试验，同时设置了普通钢筋混凝土板作为对照组，对比分析了高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板毁伤特征的影响。此外，运用AUTODYN软件建立了现场爆炸试验的SPH-FEM耦合模型，通过与试验结果的对比，验证了所建耦合模型的可靠性。在此基础上，通过参数敏感性分析，探究了炸药量和高聚物牺牲包层密度、厚度对带高聚物牺牲包层钢筋混凝土板毁伤特性以及吸能特性的影响。结果表明：接触爆炸下，高聚物牺牲包层能够有效地分散爆炸荷载，缓解爆炸荷载对钢筋混凝土板的冲击作用，具有良好的防护性能；药量在一定范围内增大时，高聚物牺牲包层依然能维持较高的吸能水平，增大包层密度和厚度有利于增强高聚物牺牲包层的吸能特性，包层厚度的变化会造成被保护钢筋混凝土板毁伤模式的改变。     

负泊松比结构力学设计、抗冲击性能及在车辆工程应用与展望

轻量化多功能负泊松比结构由于具有优异的可设计性、拉胀特性、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能、减震降噪等特性,在车辆吸能结构设计和多功能优化方面具有巨大的应用潜力.本文详细综述了负泊松比结构的力学设计及其在车辆工程中的典型应用:(1)负泊松比基本概念及其力学特性, 以及近几十年来的快速发展趋势;(2)负泊松比材料与结构构型设计方法的基本分类、负泊松比泡沫材料微结构特征及制备工艺、负泊松比复合材料设计方法的基本发展历程以及前沿人工智能设计方法;(3)针对典型负泊松比结构的力学设计进行详细介绍, 主要包括手性结构、方格旋转结构、双箭头内凹结构、内凹蜂窝结构、拉伸扭转效应负泊松比结构等;(4)负泊松比材料与结构的冲击吸能特性及相关的实验、理论和模拟研究;(5)负泊松比材料与结构在汽车轻量化设计领域的典型应用, 主要包括汽车吸能盒、B柱、发动机罩、安全带、悬架、免充气轮胎等典型吸能结构件;(6)负泊松比结构在汽车工程中的应用前景, 所面临技术挑战和巨大应用潜力.      

冲击载荷下径向密度排布对泡沫金属力学性能影响的研究

参照层状密度梯度泡沫模型实现方法，利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型，并用有限元软件，对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收能力的影响，发现:径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比，其两端的应力值均较小，可同时保护冲击端、支撑端物体；径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小，能够保证物体受力稳定；几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫，能量吸收能力对密度梯度大小不敏感，对梯度方向敏感，径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫；平均相对密度越大，径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。     

连接组合结构协同动力学拓扑优化设计

工程实际结构通常是由多个部件组合而成, 且各部件通过连接构件传递彼此间的载荷和振动能量. 连接构件的布局设计与约束状况对整个结构的拓扑构型、动态性能以及承载能力等均有较大的影响. 本文研究连接组合结构构型与部件间连接构件布局的协同动力学优化问题, 使整体结构在简谐激励作用下动柔顺度达到最小. 以弹簧连接单元模拟连接构件的约束及承载状况, 将承力构件材料的相对密度与弹簧连接单元的相对刚度同时作为设计变量. 在材料体积约束以及连接构件数量约束的条件下, 采用基于梯度的优化算法开展组合结构的拓扑构型与连接构件的布局协同优化设计. 通过与无连接约束构件的单体式结构拓扑优化结果进行对比, 展示了组合结构拓扑构型的变化, 以及连接约束的布局设计对整体材料分布和结构动力性能的影响. 数值结果表明, 虽然组合结构协同优化设计的动柔顺度总是大于单体式结构的结果, 但结构固有频率的变化却具有一定的偶然性, 即可提供更加优越的结构构型与连接布局设计.      

金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应

通过理论和数值方法，对冲击载荷下金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了研究。考虑材料应变率影响，建立了金属正交波纹夹芯结构动态响应的理论模型，同时对它的动态压缩响应进行了有限元模拟。结果表明，考虑材料应变率影响的理论模型的预测结果与有限元模拟结果吻合较好。进一步对多层正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了数值模拟，获得了不同速度冲击下的变形模式，分析了层数对其动态响应的影响。研究发现，通过增加层数能够有效地增强结构的缓冲吸能能力，但层数超过4层以后增强效果不明显。     

鹿角骨单位仿生薄壁管斜向冲击耐撞性研究

为提高薄壁管结构的耐撞性和吸能性，基于鹿角骨单位结构特征，结合结构仿生学原理设计出内径相同、外径等梯度逐层递减的仿生薄壁管。采用有限元法对75种仿生薄壁管结构进行10°、20°、30°等3种斜向冲击角度的吸能特性模拟；通过多项式回归元模型和多目标粒子群优化算法进行优化，以Pareto前沿最优原则得到各目标最优化的配置方案；采用最小距离选择法进行优化分析，得到各配置方案的最优结构设计参数。结果表明:仅考虑单一冲击角度时，在10°、20°、30°冲击角度下的仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6，最大壁厚与厚度梯度值参数组合t_max-a分别为2.84 mm-0.38 mm、2.89 mm-0.29 mm、2.91 mm-0.34 mm；综合考虑多种冲击角度权重因数不同配置方案时，仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6，最大壁厚与厚度梯度值参数组合t_max-a分别为2.95 mm-0.28 mm、2.92 mm-0.30 mm、2.85 mm-0.33 mm。