缺陷分布不均匀性对蜂窝材料面内冲击性能的影响

利用显式动力有限元方法数值讨论了缺陷（胞壁缺失）分布不均匀性对蜂窝材料面内冲击性能的影响。首先,参考理想六边形蜂窝材料在不同冲击速度下的变形特性,将蜂窝材料划分成9个区域,在此基础上讨论了缺陷分布在不同区域时对蜂窝材料面内冲击性能的影响。研究表明,在冲击载荷作用下,除了缺失率以外,蜂窝材料的面内冲击性能也依赖于缺陷的分布,且在中低冲击速度时表现出更高的敏感性。随着缺失率的增加,蜂窝材料的平台应力明显减小,而平台应力对缺失率及冲击速度的敏感性依赖于缺陷的位置。该结论对蜂窝材料的安全性评估及动力学优化设计具有一定的指导意义。     

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.     

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      

沉痛悼念许兵先生

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     

厚度梯度型箭形负泊松比蜂窝基座抗冲击性能

设计了一种箭形负泊松比的蜂窝基座结构,推导了其胞元结构的力学性能解析公式,并利用有限元方法研究了具有厚度梯度箭形负泊松比蜂窝材料的抗冲击性能。基于功能梯度材料,其基体呈连续梯度变化的概念,以胞元壁厚为自变量,设计了顺厚度梯度、逆厚度梯度型和均匀厚度的蜂窝层,并建立基座模型。在基座质量不变的前提下具体讨论了蜂窝胞元凹角及厚度梯度的不同设置情况对基座抗冲击性能的影响。结果表明,相同梯度设置情况下,胞角的变化会引起蜂窝结构等效弹性模量的变化,进而改变基座的抗冲击性能,而将胞壁厚度较小的蜂窝层放置于迎冲端时,基座整体的应力水平明显降低;将壁厚较大的蜂窝层放置于迎冲端时,基座面板的输出冲击环境能够有效地得到控制。     

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.     

用均匀化理论分析蜂窝结构的等效弹性参数

在线弹性范围内,根据均匀化理论,并结合有限元方法推导出适用于二维周期性结构的均匀化的有限元格式（Homo FEM）,计算出不同相对密度下的规则蜂窝结构的等效弹性模量Ee和泊松比νe.同时,利用蜂窝结构的代表胞元模型,用常规的有限元方法（FEM）模拟计算出相应的等效弹性参数.最后将两种数值计算结果与己有的理论公式进行了比较和分析讨论.结果表明:在考察的相对密度全场范围内（0～0.4）,HOmO FEM得到的蜂窝结构的 Ee和νe 与 FEM使用平面实体单元模拟计算得到的结果一致吻合,反映出 Homo FEM数值方法的客观准确性和可行性.而 Gibson公式和 W-K得到的等效弹性模量值 Ee只是在较小相对密度的情况下（小于0.15）与数值计算结果吻合.当结构的相对密度较大时,必须考虑胞棱附近区域由应力集中导致的复杂的应力和应变分布的影响.     

PREDICTIONS OF EFFECTIVE OUT-PLANE SHEAR MODULUS AND SIZE EFFECT OF HEXAGONAL HONEYCOMB

给出了预测六边形蜂窝材料等效剪切模量及其尺寸效应的圆筒扭转力学模型和扭转能量法,建立了等效面外剪切模量G₁₃相对于材料体分比ν、周向单胞数n、圆筒半径r和单胞层数参数m变化的解析表达式;同时将扭转能量法、有限元数值模拟计算和G-A经典细观力学方法进行了比较,从理论上揭示并验证了尺寸效应的存在性. 结果表明,当蜂窝体胞尺寸相对结构尺寸无穷小时,预测结果趋近于细观力学方法的结果. 此外,利用周期性蜂窝材料的结构对称特性,使用体胞子结构有限元计算模型进行等效面外剪切模量及其尺寸效应的预测,在不影响计算结果的前提下极大地提高了计算效率.     

等双向拉伸的无限大薄板中圆孔周围应力的弹塑性分析

1.前言 1960年Budiansky B.在小变形范围内,对等双向拉伸的无限大薄板中圆孔周围的弹塑性应力进行了研究,但是仅得出当载荷无限大时圆孔周围的应力分布和应力集中系数。对于一般载荷作用的情形,没有得出解析解的具体公式,1975年ShikawaH.J.在相同条件下对这一问题的解析解进行了探讨,但其解仅是渐近解,因为用弹性解作为第一次近似解代入基本方程进行叠代,一次就能得出他的解答,其解与本文解的比较在图1可见,当载荷较小时,例如P=0.1б_s时两个解完全重合,相对误差为零。     

不规则蜂窝材料在单向荷载作用下的蠕变屈曲分析

采用Norton蠕变理论和自由能守恒原理,分析了垂直与倾斜壁厚不等的非正六边形不规则蜂窝材料在面内单向应力作用下的蠕变屈曲行为,得到了蠕变屈曲临界应力与蠕变屈曲失效时间之间的函数关系.讨论了加载应力、初始缺陷、不规则蜂窝材料孔穴壁的厚度、长度与倾斜壁倾角对蠕变屈曲失效时间的影响.     

Optimization of a metal honeycomb sandwich beam-bar subjected to torsion and bending

In this paper, we analyze a metal honeycomb sandwich beam/torsion bar subjected to combined loading conditions. The cell wall arrangement of the honeycomb core is addressed in the context of maximizing resistance to either bending, torsion, or combined bending and torsion for given dimensions, face sheet thicknesses and core relative density. It is found that the relative contributions of the honeycomb core to torsion and bending resistances are sensitive to the configuration of cell walls and the optimal properties significantly exceed those of stochastic metallic foams as sandwich beam core materials for this configuration.     

The effect of cell irregularity on the high strain compression of 2D Voronoi honeycombs

The in-plane compression of low-density irregular Voronoi honeycombs with periodic boundary conditions has been simulated to engineering strains of 0.6 using finite element analysis. Different degrees of geometric irregularity in the honeycomb cells, as quantified using a regularity parameter, have been employed. The stress–strain predictions reveal that, for a fixed relative density, a more irregular honeycomb has a higher tangential modulus at low strain but supports a lower compressive stress at higher strain (above approximately 0.04) when compared with a more regular honeycomb. A combined ‘springs in parallel’ and ‘springs in series’ model has also been compared quantitatively with the simulation stress–strain results, the relative importance of the ‘springs in series’ mechanism having been found to increase with the irregularity of the honeycomb and, in many cases, with the applied compressive strain. In addition, the dependency of the Poisson’s ratio, the maximum bending strain in the cell walls, and the mean junction rotation upon the applied compressive strain have also been determined for a range of honeycomb irregularities.     

The damage tolerance of elastic-brittle, two-dimensional isotropic lattices

The fracture toughness of elastic-brittle 2D lattices is determined by the finite element method for three isotropic periodic topologies: the regular hexagonal honeycomb, the Kagome lattice and the regular triangular honeycomb. The dependence of mode I and mode II fracture toughness upon relative density is determined for each lattice, and the fracture envelope is obtained in combined mode I-mode II stress intensity factor space. Analytical estimates are also made for the dependence of mode I and mode II toughness upon relative density. The high nodal connectivity of the triangular grid ensures that it deforms predominantly by stretching of the constituent bars, while the hexagonal honeycomb deforms by bar bending. The Kagome microstructure deforms by bar stretching remote from the crack tip, and by a combination of bar bending and bar stretching within a characteristic elastic deformation zone near the crack tip. This elastic zone reduces the stress concentration at the crack tip in the Kagome lattice and leads to an elevated macroscopic toughness.Predictions are given for the tensile and shear strengths of a centre-cracked panel with microstructure given explicitly by each of the three topologies. The hexagonal and triangular honeycombs are flaw-sensitive, with a strength adequately predicted by linear elastic fracture mechanics (LEFM) for cracks spanning more than a few cells. In contrast, the Kagome microstructure is damage tolerant, and for cracks shorter than a transition length its tensile strength and shear strength are independent of crack length but are somewhat below the unnotched strength. At crack lengths exceeding the transition value, the strength decreases with increasing crack length in accordance with the LEFM estimate. This transition crack length scales with the parameter of bar length divided by relative density of the Kagome grid, and can be an order of magnitude greater than the cell size at low relative densities. Finally, the presence of a boundary layer is noted at the free edge of a crack-free Kagome grid loaded in tension and in shear. Deformation within this boundary layer is by a combination of bar bending and stretching whereas remote from the free edge the Kagome grid deforms by bar stretching (with a negligible contribution from bar bending). The edge boundary layer degrades both the macroscopic stiffness and strength of the Kagome plate. No such boundary layer is evident for the hexagonal and triangular honeycombs.     

正交异性钢桥面板轮载横向效应的解析分析方法

在分析正交异性钢桥面板构造特点的基础上,将轮载影响范围内的桥面板简化为弹性支撑的平面框架,建立了正交异性钢桥面轮载横向效应的解析分析模型,推导了纵肋弹性支撑刚度和车轮荷载集度等效计算方法,提出了桥面板与U肋交接位置处横向弯曲应力的解析公式,讨论并明确了影响桥面板横向弯曲应力峰值的关键敏感影响因素,并以某钢箱梁为例证明了本文算法的合理性。研究发现,本文方法计算得到桥面板与U肋相交位置的横向应力值与有限元结果相差不超过10%,证实了本文算法的正确性,也为正交异性钢桥面的初步设计提供了极大的方便;正交异性钢桥面板的横向轮载应力随U肋厚度和高度增加而增大,但随顶板厚度和横隔板间距增大而减小;相对而言,顶板内横向拉应力受顶板厚度的影响最为显著,对腹板倾角和U肋腹板厚度的变化并不敏感。     

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考虑共面载荷作用时薄壁蜂窝铝孔壁的弯曲、伸缩和剪切变形,基于Timoshenko粱理论精 确推导出了其共面弹性模量的计算公式,并利用壳单元设计了利用蜂窝铝特征单元来求共异 面弹性模量的有限元方法. 对厂家提供的两种蜂窝样品分别利用理论和有限元法进行了计算, 计算结果和实验数据相吻合,证明理论公式和有限元法的正确性. 最后就结构参数对蜂窝铝 各弹性模量相关材料效率的影响规律进行了分析.     

典型连接结构螺栓的附加弯矩形成机理与承载能力研究及结构优化设计

针对典型连接结构中, 高强螺栓在受拉工况下因产生附加弯矩而极大削弱其承载能力的问题, 开展了螺栓附加弯矩产生的机理研究, 并提出了一种有效降低螺栓附加弯矩的结构优化设计方法. 首先, 建立典型连接结构的等效力学模型, 推导出螺栓附加弯矩的解析解, 进一步开展数值仿真分析, 验证了解析方法的正确性. 考虑螺栓同时承受拉弯耦合载荷工况, 引入梁塑性弯曲理论, 研究了不同拉弯组合下的螺栓截面各类应力分布的交互关系, 并给出了考虑轴力影响的弯矩塑性折减系数. 基于最大应力破坏准则, 开展了考虑附加弯矩和弯曲塑性影响的螺栓载荷失效判据研究, 该判据更加具有工程应用价值. 从机理出发, 开展典型连接结构优化设计以降低螺栓的附加弯矩进而提高其承载能力, 进一步采用解析方法, 阐述了铰支球头的工作机理. 采用数值仿真方法, 开展了螺栓附加弯矩灵敏度分析, 验证了优化设计方法的有效性. 进一步开展试验研究, 获得不同连接状态下螺栓的附加弯矩, 验证了优化设计方法的正确性和可行性. 该方法能够极大降低高强螺栓的附加弯矩, 最大程度发挥螺栓的承载能力, 提高连接结构的可靠性.      

Yield surfaces of various periodic metal honeycombs at intermediate relative density

Initial yield surfaces are derived for several periodic metal honeycomb cell structures with sufficiently high relative density that failure occurs by plastic yielding. Both in-plane stress states (normal stresses perpendicular to cell axes, with in-plane shear) and triaxial stress states with one principal stress direction along the cell axes are considered. Beam/column and plate/shell yield criteria are adopted to address general in-plane loading and 3D triaxial loading, respectively, accounting for combined cell wall stretching and bending as appropriate. Cell wall behavior is assumed to be elastic-perfectly plastic. The initial yield surfaces for different periodic cell structures are systematically compared. Some issues related to the initial yield surfaces of various honeycombs are discussed, including dependencies on relative density and in-plane and out-of-plane applied stresses, as well as the influence of joints between cell walls.     

曲壁蜂窝夹层悬臂板的振动特性研究

蜂窝结构作为一种多孔材料具有轻质、高强度、高刚度的优点, 兼具隔声降噪、隔热等优良性能, 被广泛应用于交通运输、航空航天等领域. 传统直壁蜂窝在受力后容易出现应力集中的问题, 这将导致蜂窝夹层产生裂纹破坏, 缩短夹层板的使用寿命. 针对此问题本文设计了一种以圆弧曲壁蜂窝作为芯层的蜂窝夹层板, 基于单位载荷法推导了蜂窝芯的等效参数, 建立曲壁蜂窝夹层板的动力学模型, 利用Chebyshev-Ritz方法求解悬臂边界下曲壁蜂窝夹层板的固有频率, 并用有限元方法进行对比验证, 发现前5阶固有频率的误差均在5%以内, 每阶固有频率对应的振型一致. 通过3D打印聚乳酸(PLA)制备了曲壁蜂窝夹层板, 使用万能试验机对PLA拉伸试件进行准静态拉伸测定了打印材料的杨氏模量, 搭建振动试验平台对制备的曲壁蜂窝夹层板进行正弦扫频试验、定频谐波驻留试验和冲击试验. 对比发现3D打印模型振动试验获得的前5阶固有频率与理论模型和有限元模型的计算结果三者一致, 试验发现曲壁蜂窝芯在特定频段内具有一定的抗冲击性能. 研究结果将为曲壁蜂窝在振动和隔振方面的应用提供理论支持.      

BAR SIMULATION METHOD FOR BENDING NORMAL STRESS OF I-BEAM IN CONSIDERATION OF SHEAR EFFECT 1)

随着工字形短深梁和宽翼缘梁结构的发展,截面非线性剪切变形对弯曲应力的影响愈加突出,导致传统设计中所采用的初等梁理论计算结果误差较大,不再适用。本文基于比拟杆法综合考虑剪切效应,推导出工字形梁横力弯曲应力解析计算公式,并与有限元及现有解析计算方法进行对比分析。结果表明：当跨高比较小,翼缘腹板面积比较大时剪切效应对弯曲变形有显著影响。同时相比于现有解析方法,本文计算结果精度较高且适用范围更广,可用于梁结构设计。