内爆炸载荷下梯度泡沫铝夹芯管的动态响应

基于3D-Voronoi技术构建了泡沫铝芯层的三维细观有限元模型，对梯度泡沫铝夹芯管在内爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。分析讨论了夹芯管结构内外管的壁厚、泡沫芯层的相对密度、芯层梯度分布等参数对夹芯管结构的抗爆性能与吸能性能的影响，并与无芯层的双层圆管进行了对比。结果表明:泡沫材料的相对密度可通过改变泡沫胞元大小和胞元壁厚进行调控，利用两种方式构建的夹芯管计算结果一致；保持内、外圆管总质量不变，增大内管壁厚可以有效减小外管的塑性变形，但会影响泡沫芯层的能量耗散；泡沫芯层的填充可以有效降低内管的塑性变形，正梯度泡沫铝夹芯管的抗爆性能优于均匀泡沫及负梯度泡沫夹芯管。     

水中爆炸载荷下夹芯圆柱壳的结构优化

采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,研究了由三种不同相对密度的泡沫铝组合成的密度非均匀芯层泡沫金属夹芯圆柱壳的水下抗爆性能及均匀型泡沫金属夹芯结构的结构优化.结果表明:泡沫铝芯层相对密度配置顺序对夹芯圆柱壳的抗爆性能影响明显,可以通过调整芯层配置获得最佳吸能性能泡沫金属夹芯圆柱壳;采用Kriging多目标优化分析方法,获得了以夹芯壳单位面积重量最小、中心位移最小和能量吸收最大为目标,上、下面板的厚度的最优解.     

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。     

“V型”约束下泡沫铝夹芯圆管的准静态横向压缩性能研究

论文对受“V型”约束泡沫铝夹芯管的准静态横压性能进行了实验研究，观察到三种失效模式包括整体屈服、芯材剪切和局部凹陷.分析了泡沫铝夹芯管的几何参数和横向约束夹角的角度对其失效模式和承载与吸能能力的影响.结果表明，泡沫铝芯材的厚度对三种模式的竞争具有重要影响；在准静态横向压缩下，泡沫铝夹芯管的承载与吸能能力大于对应的空管；泡沫铝夹芯管的承载与吸能能力随着外管直径的增加而增加，随着内管直径的增加而减小；“V型”约束夹角的角度越大，泡沫铝夹芯管的承载与吸能能力也越高.     

内爆炸载荷下泡沫铝夹芯圆管塑性动力响应及能量耗散机理

通过实验、理论和数值模拟研究泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的动态变形模式及吸能机制.采用不同质量的球形乳化炸药进行爆炸试验.结构轴向变形分为3个区:大塑性变形区、绕塑性铰的刚性旋转区和无变形区.在考虑环向膜力和轴向弯矩的情况下,提出内爆作用下夹芯圆管动态响应的显式计算方法.通过建立基于三维Voronoi算法的泡沫芯有限元模型,探索结构能量耗散机制.通过实验观测到的泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的变形机制,结合内外管的弯曲变形及芯层压缩,给出了结构在响应过程中能量吸收的理论解.以结构比吸能和外管中心挠度为控制参量求得夹芯圆管的最优解集.进一步研究炸药质量、内外管直径、壁厚及芯层轴向梯度排列方式对结构动态变形模式和吸能机制的影响.结果表明:内管壁厚对外管中心线的挠度影响较大,而芯层厚度和外管壁厚的影响较小;如果夹芯圆管的轴向梯度结构从管轴向对称面到两端边缘呈对称递减分布时,具有较好的抗爆性;数值计算和实验测试结果均与理论预测吻合.     

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。     

泡沫铝填充金属薄壁圆管侧向压缩的实验和理论

利用实验研究与理论分析相结合方法研究了泡沫铝填充金属薄壁圆管在准静态侧向压缩下的力学响应。基于能量法,建立了泡沫铝填充圆管和金属薄壁圆管在侧向均匀压缩时的瞬时侧向力、平均侧向力和总吸能的理论公式。对泡沫铝填充管与金属薄壁圆管进行了准静态侧向压缩实验,并且将实验结果与理论公式进行了对比,结果表明理论预测值与实验结果吻合较好。基于建立的理论分析模型,研究了管的几何尺寸以及泡沫铝材料的密度对结构的瞬时侧向力、平均侧向力、总吸能和比吸能的影响。结果表明,在准静态侧向压缩下,泡沫铝填充管的总吸能大于对应的金属薄壁圆管;泡沫铝填充管的侧向压缩力和总吸能随管长度、壁厚和直径的增加而增大;当填充材料泡沫铝密度增大时,填充管的总吸能与侧向压缩力均增加。     

泡沫铝填充金属薄壁圆管的实验和理论研究

利用实验研究与理论分析相结合的方法研究了泡沫铝填充金属薄壁圆管在准静态侧向压缩下的力学响应.基于能量法,建立了泡沫铝填充圆管和金属薄壁圆管在侧向均匀压缩时的瞬时侧向力、平均侧向力和总吸能的理论公式.对泡沫铝填充管与金属薄壁圆管进行了准静态侧向压缩实验,并且将实验结果与理论公式进行了对比,结果表明理论预测值与实验结果吻合较好.基于建立的理论分析模型,研究了管的几何尺寸以及泡沫铝材料的密度对结构的瞬时侧向力、平均侧向力、总吸能和比吸能的影响.结果表明,在准静态侧向压缩下,泡沫铝填充管的总吸能大于对应的金属薄壁圆管;泡沫铝填充管的侧向压缩力和总吸能随管长度、壁厚和直径的增加而增大;当填充材料泡沫铝密度增大时,填充管的总吸能与侧向压缩力均增加.     

泡沫铝夹芯双圆管结构的准静态轴向压缩性能研究

对泡沫铝夹芯双圆管结构的准静态轴压性能进行了实验研究,发现该新型结构的比质量吸能效率远远高于传统的泡沫铝夹芯单管,并接近甚至超过相应的空管结构;其内外管变形模式均与空管不同且受内外管组合的影响.本文讨论了它的变形机理,分析了外管壁厚对其压缩行为的影响,发现增大外管壁厚有利于增大结构的行程利用率,提高结构的比质量能量吸收...     

双层夹芯复合材料结构横向冲击响应实验

采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料层合板作为内、外面板,以PVC泡沫作为芯材,构造了双层夹芯复合材料结构。采用落锤冲击实验,得到了冲击过程的撞击力历史;研究了在不同的冲击能量下,双层夹芯结构的冲击响应及内面板位置对双层夹芯结构冲击响应的影响。实验结果表明,内面板的引入及内面板的位置显著影响双层夹芯结构的撞击力历史,根据该撞击力历史可以优化设计出抗冲击性能优异的新型双层夹芯复合材料结构。     

Energy absorption of foam-filled circular tubes with braided composite walls

Braided glass-fibre/epoxy circular tubes with polymer foam cores are loaded in tension and in compression, and the energy of deformation is measured. Theoretical models of tube deformation are developed, and are used to predict the energy absorption as a function of tube wall strength, the ratio of tube wall thickness to tube diameter, and the density of the foam. The energy per unit mass and energy per unit volume are optimised with respect to the relative density and geometry. It is found that foam-filled braided circular tubes exhibit promising energy absorbing characteristics, due to a combination of energy absorption by the polymeric foam core and by the glass/epoxy braided tube.     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22\,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.      

A novel self-locked energy absorbing system

Metallic thin-walled round tubes are widely used as energy absorption elements. However, lateral splash of the round tubes under impact loadings reduces the energy absorption efficiency and may cause secondary damage. Therefore, it is necessary to assemble and fasten round tubes together by boundary constraints and/or fasteners between tubes, which increases the time and labor cost and affects the mechanical performance of round tubes. In an effort to break through this limitation, a novel self-locked energy-absorbing system has been proposed in this paper. The proposed system is made up of thin-walled tubes with dumbbell-shaped cross section, which are specially designed to interlock with each other and thus provide lateral constraint under impact loadings. Both finite element simulations and impact experiment demonstrated that without boundary constraints or fasteners between tubes, the proposed self-locked energy-absorbing system can still effectively attenuate impact loads while the round tube systems fail to carry load due to the lateral splashing of tubes. Furthermore, the geometric design for a single dumbbell-shaped tube and the stacking arrangement for the system are discussed, and a general guideline on the structural design of the proposed self-locked energy absorbing system is provided.     

负梯度闭孔泡沫金属的力学性能分析

运用三维Voronoi技术生成闭孔梯度泡沫模型,结合有限元分析方法模拟负梯度闭孔泡沫金属在不同冲击速度下的力学行为。结果表明,随着冲击速度的提高,得到了与均匀泡沫一样的三种变形模式：准静态模式,过渡模式和冲击模式。通过对名义应力应变曲线和变形模式的研究,提出了一种新的定义局部密实化应变的方法,并研究了相对密度和密度梯度对它的影响。分别建立了相对密度和密度梯度与冲击速度的变形模式图。通过引入密实化因子,确定了三种变形模式对应的临界冲击速度。最后讨论了不同冲击速度下,密度梯度大小对泡沫材料能量吸收能力的影响。结果表明,在高速冲击的变形初期,密度梯度的绝对值越大,泡沫材料的能量吸收能力越强。     

多种截面形状薄壁管轴向冲击吸能特性对比研究及优化设计

利用经过台车碰撞试验验证的铝合金薄壁管材料参数对比研究了方形、六边形、八边形和圆形的多种不同截面形状薄壁管在轴向动态冲击下的吸能特性。结合多目标优化算法对吸能特性较好的八边形多胞管进行了参数优化,并提出了一种新的优化设计方案。该方案将多胞管外管、肋板和内管的厚度分别作为优化设计变量,通过与将多胞管取统一厚度作为设计变量的传统方案进行对比发现,采用该方案对八边形多胞管进行优化后明显提高了其在相同压缩力峰值下的能量吸收效率。     

泡沫铝夹层结构抗冲击性能的近场动力学模拟分析

针对某光学舱所采用的泡沫铝夹层防护结构在破片冲击下的抗冲击性能问题，采用Monte-Carlo方法创建了泡沫铝结构的二维细观模型，在常规态型近场动力学理论中引入了Mises屈服准则和线性各向同性强化模型，建立了近场动力学塑性本构的数值计算框架。基于近场动力学计算程序模拟了低速冲击作用下泡沫铝夹层结构的塑性变形以及有机玻璃背板的裂纹扩展形态，分析了泡沫铝芯材孔隙率对该夹层结构抗冲击性能和损伤模式的影响规律。结果表明：泡沫铝夹层结构良好的塑性变形能力是其发挥缓冲与防护作用的主要因素，并且在一定范围内，泡沫铝芯材孔隙率越高，则夹层结构具有更好的抗冲击性能；当泡沫铝孔隙率从0.4提升到0.7时，泡沫铝对冲击物的动能吸收率从90%提高到99%；模拟结果与实验结果具有较好的一致性，验证了模拟结果的准确性和分析结论的有效性。通过数值模拟，预测了有机玻璃背板的裂纹扩展形态，发现提高泡沫铝的孔隙率能获得更好的防护效果。     

薄壁管及其泡沫金属填充结构耐撞性的实验研究

对两种AA 6063T6铝合金薄壁空管(方/圆管)结构以及填充泡沫铝的5种不同几何截面的薄壁夹芯管(单方/圆管填充,双方/圆管填充,双方管四角填充结构)分别进行了准静态轴向压缩实验,研究了各种薄壁结构的变形模式和吸能性能,比较了反映不同结构耐撞性的各种参数,如比能量吸收和能量吸收效率因子等。同时,研究了各种填充结构的几何参数对结构耐撞性能的影响,发现填充结构内管的尺寸对结构的耐撞性影响显著。研究结果显示,圆管类型的结构平均压垮载荷、比质量能量吸收、单位行程能量吸收以及能量吸收效率因子都较方管类型结构高。泡沫填充单/双圆管结构由于其较高的压垮力效率和能量吸收效率,能够较平稳高效地吸能,作为耐撞性结构元件具有很大的优势。     

BENDING BEHAVIOR OF EMPTY AND FOAM-FILLED ALUMINUM TUBES WITH DIFFERENT CROSS-SECTIONS

In this paper, the energy absorption mechanism of empty and foam-filled aluminum tubes with different cross-sections (circular, square and elliptic) under bending load is investigated numerically. The load-displacement curves of the present simulations are in very good agreement with those of published experimental data. Here, the existing analytical formulations are reviewed and compared with experimental results. In addition, the effects of different cross-sections and wall thicknesses on the energy absorption capacity and specific energy absorption of these tubes are fully investigated. The results indicate that the energy absorption of an elliptic foam-filled tube with 1.5 mm and 2 mm thicknesses increases about 45% and 73% in comparison with a square one, respectively.