金属多级类蜂窝的压溃行为研究

通过实验和数值模拟方法系统研究了单胞壁开孔金属多级类蜂窝与双胞壁开孔金属多级类蜂窝的压溃行为.重点分析了试件尺寸、开孔位置、孔偏距和孔梯度等因素对多级类蜂窝力学性能的影响.结果表明,多级类蜂窝的压溃过程可分为3个阶段:弹性变形、屈曲变形以及密实;单胞壁开孔多级类蜂窝的压溃过程趋向于渐近内凹压溃,而双胞壁开孔多级类蜂窝趋向于轴向压溃;试件尺寸对多级类蜂窝的力学行为有明显的影响,当胞元数达到一定数目时,其力学性能几乎与蜂窝胞元数无关.单胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力大于双胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力,但其平均压溃应力小于双胞壁开孔多级类蜂窝的平均压溃应力;与传统蜂窝相比,蜂窝胞壁开孔设计降低了蜂窝材料的比吸能;孔偏距的存在导致单胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力降低,但随着孔偏距的增加其平均压溃应力呈先减低后增加趋势;多梯度孔设计对多级类蜂窝材料的力学性能有重要影响,与均匀孔多级类蜂窝相比,正梯度孔分布设计降低了多级类蜂窝峰值应力,但提高了其平均压溃应力;多梯度孔分布设计对多级类蜂窝的峰值应力和平均压溃应力影响不大.     

金属多级类蜂窝的压溃行为研究

通过实验和数值模拟方法系统研究了单胞壁开孔金属多级类蜂窝与双胞壁开孔金属多级类蜂窝的压溃行为. 重点分析了试件尺寸、开孔位置、孔偏距和孔梯度等因素对多级类蜂窝力学性能的影响. 结果表明,多级类蜂窝的压溃过程可分为3个阶段:弹性变形、屈曲变形以及密实;单胞壁开孔多级类蜂窝的压溃过程趋向于渐近内凹压溃,而双胞壁开孔多级类蜂窝趋向于轴向压溃;试件尺寸对多级类蜂窝的力学行为有明显的影响,当胞元数达到一定数目时,其力学性能几乎与蜂窝胞元数无关. 单胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力大于双胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力,但其平均压溃应力小于双胞壁开孔多级类蜂窝的平均压溃应力;与传统蜂窝相比,蜂窝胞壁开孔设计降低了蜂窝材料的比吸能;孔偏距的存在导致单胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力降低,但随着孔偏距的增加其平均压溃应力呈先减低后增加趋势;多梯度孔设计对多级类蜂窝材料的力学性能有重要影响,与均匀孔多级类蜂窝相比,正梯度孔分布设计降低了多级类蜂窝峰值应力,但提高了其平均压溃应力;多梯度孔分布设计对多级类蜂窝的峰值应力和平均压溃应力影响不大.      

正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度理论分析

论文研究了由正六角形胞元构成的正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度.由于正六角形蜂窝夹芯层受面内载荷作用时在胞元斜壁上引起的弯矩与受面外载荷作用时在胞元斜壁上产生的弯矩有所不同,因此,基于面内变形的正六角形蜂窝夹芯层面内等效弹性参数不能用于计算正六角形蜂窝夹芯层弯曲变形.论文基于正六角形蜂窝夹芯层产生弯曲变形时三胞元壁板连接处转角为零的条件会导致正六角形胞元斜壁产生扭曲变形的事实,提出了一种新的正六角形蜂窝夹芯层理论分析方法.用论文方法计算得到的数值结果与有限元商用软件MSC.Marc计算得到的数值解进行对比,表明论文方法不但有效而且可行.     

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。     

曲壁蜂窝夹层板的振动特性研究

曲壁蜂窝具有负刚度特性,可以在大变形过程中吸收能量、抗冲击,并且在冲击过后可以自我恢复而不像传统蜂窝被压溃。本文将曲梁构成的负刚度蜂窝作为芯层,建立夹层板的动力学模型;推导出了曲壁负刚度蜂窝胞元的等效弹性参数,将其周期性排列为蜂窝芯,应用Reddy高阶剪切变形理论、Von-Karman大变形关系和Hamilton原理推导了负刚度蜂窝夹层板的非线性动力学方程;应用Navier法计算了四边简支边界条件下的固有频率。并利用有限元软件ABAQUS建立模型,计算固有频率,与理论计算结果进行比较,结果显示二者的计算结果具有较好的一致性,验证了芯层等效弹性参数及模型的有效性。探讨了在蜂窝胞元具有较高吸能情形下,夹层板在不同芯层厚度、不同芯厚比以及不同胞元曲壁厚度时的固有频率的变化特性。     

递进式凸轮加载的中等应变率实验技术

研制了一种可以实现多次加载的凸轮递进式中应变率压缩实验系统。该实验装置采用伺服电机驱动蓄能飞轮转动，后蓄能飞轮带动加载凸轮压缩加载杆的方法，实现对试样中应变率的压缩；同时在一级压缩即将结束时步进电机迅速推动蓄能飞轮贴近加载凸轮，实现多级压缩。试样的动态压缩载荷通过两侧杆上粘贴的应变片所记录的应变信号得到；试样变形过程通过激光干涉测速系统测得的试样两侧杆端的运动速度信号得到。以纸蜂窝试样为例，基于研制的中应变率实验系统，并结合高速摄影图片，研究了厚度10 mm、直径14.5 mm的纸蜂窝试样在应变率3.5 s^-1下的动态压缩力学性能，得到了单级压缩和两级压缩过程中纸蜂窝试样的应力-应变曲线和变形过程，并讨论了该实验系统的可靠性。此实验系统可以实现多级递进式中应变率加载；纸蜂窝试样在中等应变率下的峰值强度和平台应力对高应变率下的动态压缩实验数据和低应变率下的准静态实验数据进行了较好地衔接；试样的失效模式主要为准弹性变形后的外壁屈曲和面内剪切。     

低密度开孔泡沫蠕变松弛特性分析

利用三维Voronoi模型和有限元方法分析了胞壁材料具有粘弹特性的低密度开孔泡沫的蠕变和应力松弛行为.采用了三参量标准线性固体模型来描述胞壁材料的粘弹特性.所得结果表明.低密度开孔泡沫具有与其胞壁材料相同的松弛时间,当相对密度较低时(低于1%)开孔泡沫的松弛模量与胞壁材料的松弛模量和泡沫相对密度平方成正比.此外,计算结果还表明,低密度开孔泡沫在较小的初始应力条件下具有与其胞壁材料相同的延迟时间.其蠕变柔度与胞壁材料的蠕变柔度和泡沫相对密度平方倒数基本成正比.但随着初始应力值的增大,泡沫的延迟时间将会显著增加.     

泡沫金属在冲击载荷下的动态压缩行为

基于微CT扫描影像信息,建立泡沫金属材料二维细观有限元模型,考虑不规则胞孔的不均匀分布,根据实验结果拟合孔壁材料的弹塑性本构参数。研究了泡沫金属在不同加载速度下的压缩变形机理,重点讨论泡沫金属中弹塑性波的传播、惯性效应和从冲击端传递到静止端的应力变化特征。对于相对密度为0.3的泡沫铝,弹性波速约为5 km/s,与孔壁材料的弹性波速相当,塑性波速表现为随着加载速度的增大而增大。在加载速度为50~100 m/s间变形模式从准静态模式转变为动态模式,未发现明显的临界速度,动态锁死应变随着加载速度的增大而增大。由于塑性波发生反射,试件会发生二次压缩过程,相应地,静止端产生二次应力平台。受惯性作用的影响,二次应力平台也随着加载速度的增大而提高。     

考虑蜂窝高度效应的蜂窝夹芯板稳定性分析

蜂窝芯层等效弹性参数因受表板影响与其高度紧密相关,而传统蜂窝夹芯板稳定性模型未对其加以考虑。本文基于精化锯齿层合板理论,建立了蜂窝夹芯板稳定性模型。模型借助于解析均匀化方法获取蜂窝芯层等效模量,并因引入该方法而能够反映由蜂窝高度改变引起的蜂窝芯子等效模量变化对屈曲载荷产生的影响,即捕捉到了蜂窝芯子的高度效应。以四边简支蜂窝夹芯方板受单向面内压缩载荷作用为例进行了算例分析。算例结果表明,蜂窝芯子高度效应在蜂窝高度较低时明显,随着蜂窝高度增加,高度效应逐渐减弱。此外,高度效应在蜂窝芯层厚度比例较大时明显,随着蜂窝芯层厚度比例的持续下降,高度效应减弱直至消失。     

剪切和扭转工况下微纳米薄壁蜂窝的等效剪切模量计算

分别针对剪切和扭转两种工况给出了微纳米薄壁蜂窝等效剪切模量的解析计算方法.该方法综合考虑了由面板对芯层的约束导致的高度效应和当蜂窝胞壁厚度进入微纳米量级时引起的尺度效应.首先对蜂窝各胞壁选取了可反映面板约束以及受力状态的三角级数位移场,然后在本构关系中引入修正偶应力理论以描述尺度效应,最后应用能量均匀化方法求得蜂窝的等效剪切模量.以典型六边形蜂窝为例,给出了完整的计算过程和结果.与文献中的等效剪切模量结果进行对比,讨论了不同工况下等效剪切模量随芯层高度和胞壁厚度的变化趋势,以及高度效应和尺度效应之间的相互影响.     

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。     

基于同步辐射原位CT的聚氨酯泡沫微观变形机理研究

为揭示聚氨酯泡沫的微观结构性能关系,本文依靠自主研发的微型材料试验机,在美国APS光源2BM线站上搭建了原位CT系统,对闭孔硬质聚氨酯泡沫在准静态压缩加载下的变形损伤行为进行了三维实时表征,分辨率可达0.87μm。通过原位CT试验获取了硬质聚氨酯泡沫的应力应变关系,以及三个变形阶段(弹性、平台、压实)的三维结构演化过程。三维图像显示,在平台段会观察到局部压缩带从样品两端向中间传播的过程,且压缩带传播速度会超过压头速度。同时,利用数字体图像相关技术精确计算了聚氨酯泡沫的三维变形场,表明压缩变形主要集中在变形带内部。通过追踪胞元变形过程并利用表面曲率场来量化胞壁变形,发现胞元坍塌主要源于包壁屈曲形成的褶皱。     

引入Sierpinski层级特性的新型薄壁多胞管轴向冲击吸能特性

为提高薄壁结构的吸能能力，基于Sierpinski分形结构提出了一种具有层级特性的新型薄壁管，即Sierpinski层级管（Sierpinski hierarchical tube, SHT）。采用非线性有限元法对SHTs在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了数值分析，并与普通三角形薄壁管在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了对比。结果表明:SHTs的变形模式为轴对称渐进屈曲模式，在薄壁管中引入Sierpinski层级特性后，胞壁弯曲过程的半折叠波长减小，促使压缩过程中形成更多的塑性折叠单元，有利于提高薄壁结构能量吸收能力。进一步基于能量守恒理论和塑性铰理论对SHTs的轴向压缩应力进行理论求解，并通过有限元数值模拟验证其准确性。在相同的相对密度下，一阶、二阶及三阶SHTs的动态压缩应力较普通三角形薄壁管的动态压缩应力提高了85.8%、138.2%和183.8%。将Sierpinski层级特性引入薄壁管的设计中，能够有效提高薄壁管的耐撞性能。     

金属蜂窝材料的弹塑性屈曲临界应力值

本文参考Hexcel公司生产的各种规格的金属蜂窝芯,讨论了金属蜂窝芯夹层板承受单轴面外压力时的屈曲模式,发现大多数商用金属蜂窝夹层板受到面外压力作用时发生弹塑性屈曲。基于二维蜂窝结构的代表性单元,建立了金属蜂窝材料弹塑性屈曲的力学模型,进而推导出其临界应力显式公式。该公式反映了蜂窝材料的几何特征及其母材的力学性能,并通过单参数表征金属蜂窝材料的弹塑性屈曲特性。本文还探讨了相对密度和开度角对金属蜂窝材料弹塑性屈曲值的影响规律。最后,通过与已有理论结果和实验结果的比较证实：本文采用的屈曲模式合理,与实验测定值符合较好表明理论预测公式有一定应用价值。     

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。     

60Si2Mn螺旋弹簧的压缩应力松弛行为与贮存寿命预测

为评价60Si2Mn螺旋压缩弹簧的室温松弛特性,利用InstronE3000K8953型小吨位电子动静态疲劳试验机,对其在不同温度和初始应力水平条件下进行了高温压缩加速应力松弛试验,研究了环境温度、初始应力水平对松弛行为的影响.基于粘弹性体模型,揭示了应力松弛过程中弹性应变向塑性应变的转化特性与塑性应变随松弛时间的变化规律.在对应力松弛前后弹簧丝材金相和TEM微结构进行对比分析的基础上,探讨了应力松弛的微观机制.结果表明,环境温度与初始应力水平对松弛速率具有显著影响.基于应力松弛过程的热激活特性,建立了60Si2Mn螺旋压缩弹簧的贮存寿命预测方程,并对不同应力水平下弹簧的室温和高温贮存寿命进行了合理预测.     

随机缺陷对蜂窝结构动态行为影响的有限元分析

通过对胞壁随机移除的蜂窝结构动态变形过程的有限元模拟,分析了随机缺陷对蜂窝结构变形模式的影响,得到蜂窝结构在两个加载方向上的变形模式图及不同模式间转换的临界速度. 对含缺陷蜂窝结构平台应力的研究发现,当变形模式为过渡模式或动态模式时结构平台应力与冲击速度的平方成线性关系. 相同密度下,低缺陷蜂窝结构的平台应力在由过渡模式向动态模式转变的临界速度附近高于规则蜂窝结构,较高的随机缺陷则使蜂窝结构的平台应力在由准静态模式向过渡模式转变的临界速度附近显著下降.关键词:多孔材料,蜂窝,缺陷,平台应力,有限元分析      

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。     

分层递变梯度蜂窝材料的面内冲击性能

提出了一种分层递变梯度蜂窝材料模型,以期控制蜂窝材料的能量动态吸收性能.此模型通过改变胞元的半径来改变蜂窝材料的面内特征参数,以实现蜂窝材料面内动力响应特性的多目标优化设计.计算结果表明,此模型可以在减小初始峰值应力水平的前提下,同时实现材料能量吸收过程的控制,并可以有效控制进入被保护结构的应力水平.此模型可为蜂窝材料...     

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。