中低速压缩加载下不同截面构型复合材料薄壁结构吸能特性及失效分析

为研究开剖面复合材料薄壁吸能结构的吸能特性,基于高速液压伺服试验系统,开展了开剖面复合材料薄壁结构轴向压缩试验,分析了截面构型、截面长宽比、触发模式及加载速度对其吸能特性的影响,揭示了其在压溃过程中的失效及吸能机理。研究结果表明,复合材料薄壁结构压溃过程中主要通过材料弯曲、分层、剪切破坏以及压溃区之间的摩擦吸能。截面构型对其吸能特性影响显著,其中,帽形及Ω形试件的平均压溃载荷较C形试件分别高出14.1%和14.6%,比吸能较C形试件分别高出14.3%和14.8%;截面长宽比对复合材料薄壁结构吸能特性的影响不如截面构型明显;触发模式主要影响吸能结构的初始压溃阶段,在降低峰值载荷方面,C形试件采用45°倒角触发效果更好,帽形试件采用15°尖顶触发效果更好;当加载速度从0.01 m/s提高到1 m/s时,C形、帽形及Ω形试件的平均压溃载荷分别下降了6.1%、10.9%和6.1%,比吸能分别下降了6.2%、11.0%和6.2%。     

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以当前车架前纵梁薄壁吸能管为依据,制作了普通单、双帽薄壁管以及单、 双帽冲压筋薄壁管试件,并依次进行了轴向准静态压缩试验,来研究这些管件的轴向压缩吸 能特性. 试验发现：添加冲压筋之后,单、双帽薄壁结构的轴向吸能特性都得到了很大提高, 但冲压筋对帽型薄壁结构稳定性的提高不明显. 试验结果表明,在不增加材料的前提下,通 过改变吸能元件的截面结构可以提高其碰撞吸能特性.     

冲压筋薄壁管轴向压缩特性试验研究

以当前车架前纵梁薄壁吸能管为依据,制作了普通单、双帽薄壁管以及单、双帽冲压筋薄壁管试件,并依次进行了轴向准静态压缩试验,来研究这些管件的轴向压缩吸能特性.试验发现:添加冲压筋之后,单、双帽薄壁结构的轴向吸能特性都得到了很大提高,但冲压筋对帽型薄壁结构稳定性的提高不明显.试验结果表明,在不增加材料的前提下,通过改变吸能元件的截面结构可以提高其碰撞吸能特性.     

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。     

含诱导缺陷薄壁圆管耐撞性优化设计

运用移动最小二乘曲面拟合技术和遗传算法优化技术,建立一套完整的结构耐撞性优化设计技 术。设计了一个具有高效吸能能力的薄壁圆管结构含诱导缺陷薄壁圆管结构,给出了含缺陷薄壁圆管结 构耐撞性优化设计结果。结果显示,设计的薄壁圆管结构具有好的吸能效果,该结构设计简单,便于在结构设 计中使用。     

新型截面耐撞梁及其冲击吸能性能分析

提出了一种类似泡沫填充结构的轻质高吸能内部加筋薄壁梁的截面型式(加筋薄壁梁),采用数值仿真技术,以初始冲击力峰值、总吸能、比吸能为指标分析了该截面型式梁的抗弯性能.与同等质量的空心方形梁和泡沫铝填充梁进行比较,发现加筋薄壁梁的吸能性能(或比吸能)显著提高.同时初始冲击力峰值也有大幅下降,说明这种加筋薄壁梁是新型保险杠的良好截面型式.     

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。     

RESEARCH ON MICRO-STRUCTURE AND ENERGY ABSORPTION MECHANISM OF THE HUMAN SKULL BONE 1)

头盖骨对于维持生命安全至关重要。作为一种多孔夹芯结构,头盖骨由密质骨面板和松质骨芯子构成。本文通过头盖骨截面与冲击物相互作用,并基于能量守恒定律分析了人头盖骨能量吸收随着冲击速度的变化规律,给出了头盖骨在不同冲击速度下的破坏形貌图。通过头盖骨截面的失效面积,反映出结构的吸能特性。     

人头盖骨微观组织结构及能量吸收机制研究

头盖骨对于维持生命安全至关重要。作为一种多孔夹芯结构,头盖骨由密质骨面板和松质骨芯子构成。本文通过头盖骨截面与冲击物相互作用,并基于能量守恒定律分析了人头盖骨能量吸收随着冲击速度的变化规律,给出了头盖骨在不同冲击速度下的破坏形貌图。通过头盖骨截面的失效面积,反映出结构的吸能特性。     

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。     

粘接多胞管三点弯曲实验与数值研究

基于实验和数值模拟方法,本文研究了一种易制备粘接多胞薄壁结构的弯曲性能,分析了粘接多胞管在横向三点弯曲加载下的变形和能量吸收性能。三点弯曲准静态实验表明：由于粘接的作用,通常情况下粘接多胞管的能量吸收性能高于其基本构成单胞管能量吸收的总和,但在某些情况下粘接可以带来70%的性能提升。借助于LSDYNA,我们计算模拟了三点弯曲实验,计算得到的粘接多胞管变形模式和力-位移曲线与实验结果吻合良好。此外,采用计算模拟方法,我还对三种不同接触条件下的结构响应进行了对比分析,结果表明：如果未出现明显的粘接脱开,则粘接多胞管的吸能特性与完整的多胞结构相当,否则其能量吸收性能会被严重削弱。     

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。     

非凸截面管与多胞方管轴向冲击能量吸收性能对比研究

研究了非凸薄壁管在轴向冲击下的能量吸收性能,并与方管以及多胞方管进行了比较分析。首先,采用显式非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对比分析了这三类薄壁管在壁厚相同情况下的能量吸收性能。然后,在一定的材料用量限制（相同的质量）、一定的能量吸收量需求以及一定的极限峰值力要求等三种情况,比较了这三类截面薄壁管的冲击能量吸收性能。研究表明,非凸截面管在所研究的四种条件下无论在能量吸收效率还是在载荷一致性方面都远远优于方管。此外,非凸截面薄壁管在能量吸收效率方面也显著优于多胞方管,在载荷一致性方面与多胞方管相比各有优劣。     

Design optimization of the S-frame to improve crashworthiness

In this paper, the S-frames, the front side rail structures of automobile, were investigated for crashworthihess. Various cross-sections including regular polygon, nonconvex polygon and multi-cell with inner stiffener sections were investigated in terms of energy absorption of S-frames. It was determined through extensive numerical simulation that a multi-celI S-frame with double vertical internal stiffeners can absorb more energy than the other configurations. Shape optimization was also carried out to improve energy absorption of the S-frame with a rectangular section. The center composite design of experiment and the sequential response surface method （SRSM） were adopted to construct the approximate design sub-problem, which was then solved by the feasible direction method. An innovative double S- frame was obtained from the optimal result. The optimum configuration of the S-frame was crushed numerically and more plastic hinges as well as shear zones were observed during the crush process. The energy absorption efficiency of the structure with the optimal configuration was improved compared to the initial configuration.     

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。     

薄壁非凸截面多胞管轴向冲击耐撞性研究

论文结合截面多胞化和截面非凸化这两种提高薄壁管能量吸收性能的方法,设计了一类薄壁非凸截面多胞管能量吸收结构.通过从管截面外轮廓和管内构型两个方面相结合的方法,同时从内外两个方面提高薄壁管的能量吸收性能.新型非凸截面多胞管通过增加截面折角数目并且保持折角在最优范围内,从而使得更多的材料分布在变形剧烈的折角附近以实现提高结构的能量吸收效率的目的.从理论与数值模拟两方面研究了这类新型非凸截面多胞薄壁管在轴向冲击下的能量吸收性能.新型非凸截面多胞管通过截面构型优化,增加了能量吸收效率高的角形部分.研究表明,这类薄壁非凸截面多胞管较传统薄壁方管的能量吸收性能有显著提高,并且其能量吸收性能优于凸多胞管及非凸多边形截面管,还避免了非凸多边形截面薄壁管潜在的整体失稳的问题.     

负高斯曲率曲面薄壁管吸能特性研究

为设计出具备优良吸能特性的薄壁结构,提出一种新型负高斯曲率曲面圆形横截面薄壁管(negative Gaussian curvature surface circular tube, NGC-C)。利用经验证的有限元分析方法对其进行轴向动态冲击模拟,提取各项性能指标,借助复杂比例评估法(complex proportion assessment, COPRAS)将其与传统薄壁吸能结构进行了综合性能对比。采用拉丁超立方抽样法从设计空间中提取样本点并获取各样本点对应性能响应值,建立代理模型。基于该代理模型,借助改进非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-Ⅱ)对其进行了多目标优化设计。结果表明:NGC-C综合性能优于传统薄壁吸能结构,经优化后比吸能提高了16.47%,有效压溃长度降低了12.40%,质量减少了20.18%。将负高斯曲率曲面形态引入薄壁管构型,能够提高薄壁管的耐撞性和轴向抗变形能力。     

取代率对钢管再生混凝土短柱轴压性能退化的影响分析

为了揭示再生粗骨料含量对钢管再生混凝土短柱轴压性能退化的影响,以再生粗骨料取代率级差10%作为主要变化参数,分别进行了22组圆钢管试件(以直径90mm和110mm为次要变化参数)和11组方钢管试件的轴心受压试验,从组合轴压刚度退化、损伤以及耗能的角度分析了再生粗骨料取代率对其性能衰减的影响程度。研究结果表明:钢管再生混凝土短柱在非弹性阶段的退化特性大致表现为负指数函数的形式;再生粗骨料取代率较高时的轴压损伤累积比取代率较小的试件快;对于含钢率低、套箍系数小的圆钢管试件,其全过程耗能因子降低较快且变得较小;再生粗骨料取代率超过50%后,钢管再生混凝土的轴压终值耗能因子均随取代率的增加而降低。     

聚乙烯泡沫单填充纸瓦楞管的轴向跌落冲击缓冲吸能特性

利用聚乙烯闭孔泡沫单填充纸瓦楞管开展轴向跌落冲击试验，对比分析了结构参数和冲击参数对其缓冲吸能特性参数（比吸能、行程利用率、压缩力效率、比总体效率）的影响。结果表明，X向单填充管的动态缓冲吸能特性优于Y向单填充管，而静态缓冲吸能特性差于Y向单填充管。正四边形单填充管的动态缓冲吸能特性优于正五、六边形单填充管，X向正四边形单填充管的比吸能相较于正五、六边形管分别提高了114.4%和182.3%。对于跌落冲击压缩，单填充管的比吸能、行程利用率、比总体效率随着管长比的增大而减小，管长比为1.4的X向单填充管的比吸能相较于管长比为2.2和3.0的单填充管分别增加了45.8%和117.9%，而压缩力效率随着管长比的增大而增大。随着跌落冲击质量或冲击能量的增加，比吸能、行程利用率、压缩力效率和比总体效率皆呈增大趋势，冲击质量对X向单填充管的影响较大，而冲击速度则对Y向单填充管的影响较大。