横向冲击载荷下不同约束泡沫铝夹芯圆管的动态响应

以泡沫铝夹芯圆管为研究对象,采用数值模拟研究了横向冲击载荷作用下4种不同约束夹芯圆管的动态响应。研究了夹芯圆管的几何参数、冲击速度和芯层泡沫铝相对密度对夹芯圆管力学行为的影响,对比分析了不同约束条件对泡沫铝夹芯圆管变形模式和吸能性能的影响。结果表明:随着内管直径的减小、冲击速度的增大和芯层泡沫铝相对密度的增大,泡沫铝夹芯圆管的比吸能增大;内管壁厚的增加使无约束和倾斜约束下夹芯圆管的比吸能增大,对侧壁约束和组合约束下夹芯圆管的吸能影响不明显;采用一定的外部约束条件是提高泡沫铝夹芯圆管吸能性能的一种可行的方法。     

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。     

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.      

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。     

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.     

基于数字图像相关方法对冲击载荷下泡沫铝全场变形过程的测试

应用分离式霍普金森压杆(以下简称SHPB)和高速摄影装置研究了冲击载荷下泡沫铝试件全场变形的测量方法。使用SHPB对泡沫铝试件进行冲击压缩实验,同时用高速摄影装置对实验过程进行全程跟踪拍摄。将得到的高速摄影图像采用数字图像相关方法进行分析,由此可得到冲击压缩过程中泡沫铝试件全场应变的分布和变化规律。此研究揭示了冲击载荷下泡沫铝试件局部化变形的发展过程,为研究泡沫铝在不同冲击载荷下不同变形模式的内在机制提供了新的可靠的方法。     

遗传算法在冲击隔振中的应用研究

借助泰勒级数给出了钢丝绳隔振器的一阶近似非线性数学模型, 选用遗传算法对系统固有频 率进行二进制编码; 然后建立了相应的冲击仿真模型, 并对冲击载荷作用下装有钢丝绳隔振 器的移动硬盘进行仿真实验. 理论分析与仿真结果表明, 采用遗传算法的仿真模型能够适应 脉冲宽度的多变性, 克服隔振效果与最大允许变形之间的矛盾, 良好地反演出钢丝绳隔振系 统的固有频率.     

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。     

泡沫铝爆炸冲击特性的数值研究

基于流体弹塑性模型,建立了泡沫铝在爆炸载荷下的冲击特性方程。采用Lagrange差分格式,在 均匀网格上对方程进行了离散。编写了数值计算程序,进行了炸药在空中和水中爆炸的一维数值计算。爆炸 场中考虑了泡沫铝密度、环境介质对泡沫铝材料冲击特性的影响。结果表明:数值计算结果与理论解、实验实 测结果基本吻合,证明所建立的泡沫铝的流体弹塑性本构方程可以用来描述泡沫铝的冲击特性;泡沫铝的密 度越低,泡沫铝中的压力峰值越小;在接触爆炸条件下,泡沫铝外侧环境介质的性质对临近环境介质端泡沫铝 中的压力影响明显,其中,环境介质若为空气,则临近空气端泡沫铝中的压力呈下降趋势,若环境介质为水,则 临近水端泡沫铝中的压力呈上升趋势。     

浮动冲击平台冲击环境对设备响应的影响

对浮动冲击平台提供给设备的冲击环境及舰载设备在不同冲击环境下的响应进行了数值模拟和理论分析。以美国中型浮动冲击平台为计算模型,将设备基座的冲击环境与德国规范BV 043-85进行了比较,为分析两个体系在设备抗冲击要求中谱加速度的差异,对不同舰载设备进行数值模拟计算,并通过虚拟约束边界模态方法,提出不同冲击环境下基础激励的多自由度系统响应的计算方法。数值分析及理论计算结果表明:冲击谱中谱加速度对舰载设备响应影响较小,而谱位移和谱速度对设备响应有较大影响,理论计算得到的多自由度系统响应与数值模拟结果较一致,同时在进行浮动冲击平台设计时可不考虑谱加速度对设备响应的影响。     

A theoretical analysis for the dynamic axial crushing behaviour of aluminium foam-filled hat sections

A theoretical analysis was performed to predict the dynamic axial crushing behaviour of aluminium foam-filled top hat and double hat sections made from mild steel material. The deformation mode from the test results was used to create a deformation model for the theoretical analysis. According to the energy method and the superfolding element theory, the mean dynamic crushing loads of the aluminium foam-filled hat sections and the interactive effect between the aluminium foam and hat sections were theoretically predicted. The mean dynamic crushing loads and the interactive effect predicted by this theoretical analysis were in good agreement with the experimental results. The theoretical prediction results showed that the interactive effect was mainly from the aluminium foam.     

列车分布式吸能系统的波传播特性和参数分析

建立了考虑车厢中弹性波传播影响的列车分布式吸能系统的简化理论模型。基于一维应力波理论，对碰撞过程中各吸能器的响应进行了理论分析，得到相关的控制方程并求解。观察到各吸能器界面上典型的阶段性、平台样的速度响应，并分析了其机理，进而对如何合理设置和排布吸能器进行了分析。结果表明:对于相邻的吸能器，碰撞前端吸能器的压垮强度应高于后端，否则后端吸能器无法同时发挥作用；各吸能器的平台应力的大小和排布是决定吸能系统作用效果的控制参量，能够决定各吸能器的吸能时长和吸能总量。具体分析了相邻吸能器的平台应力分布对系统吸能性能的影响，得到了在所研究的情况下使总吸能量最大的优化设计参数。该研究可为列车分布式吸能系统的优化设计提供理论指导。     

Partition energy absorption of axially crushed aluminum foam-filled hat sections

The “interaction effect” between aluminum foam and metal column that takes place when foam-filled hat sections (top-hats and double-hats) are axially crushed was investigated in this paper. Based on experimental examination, numerical simulation and analytical models, a systemic approach was developed to partition the energy absorption quantitatively into the foam filler component and the hat section component, and the relative contribution of each component to the overall interaction effect was therefore evaluated. Careful observation of the collapse profile found that the crushed foam filler could be further divided into two main energy-dissipation regions: densified region and extremely densified region. The volume reduction and volumetric strain of each region were empirically estimated. An analytical model pertinent to the collapse profile was thereafter proposed to find the more precise relationship between the volume reduction and volumetric strain of the foam filler. Combined the superfolding element model for hat sections with the current model according to the coupled method, each component energy absorption was subsequently derived, and the influence of some controlling factors was discussed. According to the finite element analysis and the theoretical modeling, when filled with foam, energy absorption was found to be increased both in the hat section and the foam filler, whereas the latter contributes predominantly to the interaction effect. The formation of the extremely densified region in the foam filler accounts for this effect.     

Analysis of rigid polyurethane foam as a shock mitigator

In problems of impact, the compressive-stress wave generated at the surface of contact can be quite severe. In certain instances, it may be necessary to mitigate the peak stress. Many materials, e.g., rigid polyurethane foam, exhibit elastic, nearly perfectly plastic stress-strain relations. Stresses greater than the yield stress cannot be transmitted until compaction occurs. The purpose of this paper is to investigate the mitigation of shock and absorption of energy under impact-loading conditions through the use of crushable materials. Experimental data are presented on the mitigated impacts of a short steel projectile on a long aluminum rod. A theoretical analysis is formulated and the results are compared with the experimental results. Mitigators of varying cross-sectional area, as well as mitigators of constant cross-sectional area, are included. The dynamic properties of the rigid polyurethane foam were obtained both experimentally and from the literature, and used as input for the theoretical analysis.     

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。     

自适应主动共振吸振器的设计和减振性能研究

为了扩大吸振器的工作频带,减小吸振器的阻尼,最终提高吸振器的减振效果,本文设计了一种自适应主动共振吸振器。文中对几种不同种类吸振器的减振原理、动力学特性等进行了理论分析和比较,集成自调谐吸振器和主动吸振器的优点,完成了一种自适应主动共振吸振器的设计,并提出了一种变步长、双寻优的控制算法。在振动台上测试了吸振器的动力学特性并理论分析了吸振器的移频特性和阻尼特性。在两端固支梁上对吸振器的减振效果进行了实验评估。实验结果显示,相比自调谐吸振器,加入主动力控制后,自适应主动共振吸振器的阻尼比从0.04减小至0.02,减振效果得到了显著的提高。     

Taylor撞击实验在泡沫铝合金力学特性研究中的应用

由于泡沫铝合金具有可压缩性,经典的Taylor理论模型已不适用于描述该类材料。在适当假设的基础上建立了泡沫铝合金Taylor撞击实验分析的理论模型,并利用Taylor撞击实验数据验证了该模型的有效性,研究了泡沫铝合金的动态力学特性。实验结果表明,所考察的泡沫铝合金的应变率敏感性不强。     

金属泡沫填充薄壁圆管的轴压载荷-位移关系

将泡沫填充圆管的能量吸收视为泡沫与圆管两者之和, 基于包含偏心率效应的直链塑性铰模型和Reddy等对Alexander模型的改进结果, 对圆管的变形模式进行了更改, 以此来反映管壁与金属泡沫之间的相互作用效应, 导出了金属泡沫填充圆管的静、动态轴向平均压溃力的表达式. 通过理论预测与实验的对比, 发现理论预测偏低, 但与实验曲线的趋势保持一致, 比空管与金属泡沫的平均载荷之和略高一些. 此外, 泡沫填充圆管的平均压溃力随填充泡沫平台应力的增大而呈线性增加, 与已有研究结果及实际情况一致, 由此表明了模型的合理性.