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。     

梯度多胞牺牲层的抗爆炸分析

运用一维非线性塑性冲击波模型和细观有限元模型对密度梯度多胞牺牲层的抗爆炸性能进行了分析。基于率无关的刚性-塑性硬化模型,建立了描述冲击波在多胞牺牲层中传播的控制方程,分别给出了正、负密度梯度多胞材料在指数型爆炸载荷作用下的响应特性。研究了可正好吸收爆炸能量的梯度多胞牺牲层的临界厚度与载荷强度、覆盖层质量、多胞材料的密度梯度等参数之间的关系,给出了以临界厚度和支撑端应力峰值为指标的密度梯度设计图。运用二维细观有限元模型验证了基于非线性塑性冲击波模型的抗爆炸分析的有效性。     

球形闭孔泡沫金属材料力学行为研究

利用面心立方单元胞模型计算了球形闭孔泡沫金属材料的宏观弹塑性特性,建立了弹性参数和屈服强度与相对密度的关系,所得结果与球形(类球形)闭孔泡沫铝合金试验结果进行了比较,二者吻合较好.此外,利用所建立的单元胞模型计算了等比例多轴载荷下的应力-应变曲线,针对现有的泡沫金属材料弹塑性宏观唯象本构框架,得到了球形孔闭孔泡沫金属材料在不同特征应变下应力势函数曲面及其演化规律,确定了其宏观本构理论模型的材料参数.结果表明,该理论模型能较好模拟有限元数值计算结果.     

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。     

泡沫杆撞击刚性壁的动态压溃模型

针对泡沫杆撞击刚性壁的情形建立了2类动态压溃模型:一维冲击波模型和三维细观有限元模 型。以连续介质框架下的应力波理论为基础,并假定了刚性-非线性塑性硬化的加载和刚性卸载的本构关系, 建立了一维冲击波模型,给出了冲击波波后应变与冲击时间的隐式表达式。利用随机Voronoi技术构建了闭 孔泡沫金属结构的三维细观有限元模型,使用ABAQUS/Explicit有限元软件模拟了泡沫材料的动态压溃过 程,并基于最小二乘法计算局部变形梯度和局部应变得到了三维泡沫结构的应变场。通过理论解和数值解的 比较,发现该理论模型能够较好地预测泡沫金属杆撞击刚性壁的力学行为,得到了较为精确的结果。     

非均匀泡沫金属材料在冲击载荷下的变形模拟

提出一种二维非线性弹塑性质量-弹簧-连杆模型，该模型将泡沫金属材料离散成许多质量块，质量块在受载方向由非线性弹塑性弹簧连接，垂直于受载方向由可延伸的弹性连杆铰接。采用该模型模拟并分析了层非均匀泡沫金属材料及局部不均匀泡沫金属材料在冲击载荷下的变形特性，说明了非均匀性对泡沫金属材料冲击变形的影响。     

基于响应面模型的薄壁构件耐撞性优化设计

建立了薄壁构件的结构耐撞性优化模型，通过试验设计在设计空间中选择少量样本获得设计的响应特性，建立响应面模型，并应用Pareto遗传算法进行结构耐撞性的优化设计。     

密度梯度柱壳链的弹性波传播特性研究

均匀圆柱壳链可以调控弹性波传播, 引入密度梯度有望进一步提高波形调控能力. 通过建立密度梯度柱壳链的细观有限元模型和连续介质模型, 研究了密度梯度柱壳链的弹性波传播特性. 通过将密度梯度柱壳链等效为变密度连续介质弹性杆, 建立了其在应力脉冲作用下的控制方程. 运用拉普拉斯积分变换方法, 考虑杆中密度遵循线性分布, 获得了方程的解析解. 以三角形应力脉冲作用为例, 通过与细观有限元模拟结果比较, 发现解析解可以较好地预测梯度柱壳链中载荷的演化趋势. 正梯度链中载荷峰值随着波传播逐渐增大, 负梯度链中载荷峰值随着波传播逐渐减小. 正梯度链支撑端峰值载荷高于均匀链, 负梯度链支撑端峰值载荷低于均匀链, 这表明相较于均匀柱壳链, 密度梯度柱壳链可以在更大范围内对波形进行调控. 线性密度梯度参数对梯度柱壳链的波形调控能力影响较大, 梯度参数越小, 传递到支撑端的峰值载荷越小; 相反, 梯度参数越大, 支撑端的峰值载荷越大. 建立的理论模型及其解析解为研究梯度柱壳链中应力波传播规律及揭示载荷调控机理提供了理论基础.      

闭孔泡沫铝的塑性泊松比

在表征闭孔泡沫铝的力学性能中,塑性泊松比是较为重要的参数之一。本文应用Kelvin十四面体模型构建出不同相对密度的闭孔泡沫铝三维细观模型并采用LS-DYNA对所得细观模型进行单轴准静态压缩计算。数值模拟分析发现,随着轴向应变的增加,泡沫铝泊松比-轴向应变曲线呈倒S形,存在峰值和极小值,曲线变化规律与泡沫铝胞孔的变形有密切关系。根据泊松比-轴向应变曲线与胞孔变形之间的关系,给出了平均塑性泊松比的定义。计算结果显示,随着相对密度的提高,闭孔泡沫铝的平均塑性泊松比增大。当闭孔泡沫铝的相对密度低于0.1时,其平均塑性泊松比接近于零,计算中可以忽略;当闭孔泡沫铝相对密 度大于0.1时,其平均塑性泊松比随相对密度的增加而呈线性从0.17增加到0.5     

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。     

Crashworthiness design of density-graded cellular metals

Crashworthiness of cellular metals with a linear density gradient was analyzed by using cell-based finite element models and shock models. Mechanisms of energy absorption and deformation of graded cellular metals were explored by shock wave propagation analysis. Results show that a positive density gradient is a good choice for protecting the impacting object because it can meet the crashworthiness requirements of high energy absorption, stable impact resistance and low peak stress.     

A micromechanical model for predicting the fracture toughness of functionally graded foams

In this paper, finite element method based micromechanical analysis is used to understand the fracture behavior of functionally graded foams. The finite element analysis uses a micro-mechanical model in conjunction with a macro-mechanical model in order to relate the stress intensity factor to the stresses in the struts of the foam. The stress intensity factor at the crack tip of the macro-mechanical model can be evaluated using either the J-contour integral or the stresses in the singularity-dominated zone. The fracture toughness is evaluated for various crack positions and length within the functionally graded foam. Then the relationship between the fracture toughness of the graded foam and the local density at the crack tip is studied. Convergence tests for both macro-mechanical and micro-mechanical model analysis were conducted in order to maintain adequate accuracy with reasonable computational time. Fracture toughness of homogenous foams and functionally graded foams for various cases are presented as a function of relative density. This study indicates that the fracture toughness of functionally graded foams mainly depends on the relative density at the crack-tip.     

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...     

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.      

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。     

复合泡沫塑料力学行为的研究综述

复合泡沫塑料是一种重要的防护材料,它在国防工业和民用工业各部门均有许多重要的应用,对这类材料的力学行为进行研究具有重要的学术价值和应用前景.本文对复合泡沫塑料力学行为的研究文献进行了综述.首先,对复合泡沫塑料力学行为研究的早期工作进行了简介.然后,重点介绍了复合泡沫塑料力学行为研究的最新进展,其中也包括作者近期在该领域开展的一些工作;对复合泡沫塑料进行了静、动态压缩实验和细观加载实验,研究了材料的宏观变形规律和细观失效机制;在理论研究方面,探讨了复合泡沫塑料的能量吸收和缓冲特性,从宏、细观力学分析出发研究了复合泡沫塑料有关力学性能的理论预测问题;还利用计算机和通用软件对高密度复合泡沫塑料进行了有限元分析,研究了高密度复合泡沫塑料的失效行为.最后,给出对该领域研究工作的一些展望.      

Asymptotic mechanical fields at the tip of a mode I crack in rubber-like solids

Asymptotic analyses of the mechanical fields in front of stationary and propagating cracks facilitate the understanding of the mechanical and physical state in front of crack tips, and they enable prediction of crack growth and failure. Furthermore, efficient modelling of arbitrary crack growth by use of XFEM (extended finite element method) requires accurate knowledge of the asymptotic crack tip fields. In the present work, we perform an asymptotic analysis of the mechanical fields in the vicinity of a propagating mode I crack in rubber. Plane deformation is assumed, and the material model is based on the Langevin function, which accounts for the finite extensibility of polymer chains. The Langevin function is approximated by a polynomial, and only the term of the highest order contributes to the asymptotic solution. The crack is predicted to adopt a wedge-like shape, i.e. the crack faces will be straight lines. The angle of the wedge and the order of the stress singularity depend on the hardening of the strain energy function. The present analysis shows that in materials with a significant hardening, the inertia term in the equations of motion becomes negligible in the asymptotic analysis. Hence, there is no upper theoretical limit to the crack speed.