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。     

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。     

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。     

开孔泡沫铝填充圆管的准静态压缩行为

采用开孔结构泡沫铝填充到薄壁圆形铝管中,制备出开孔泡沫铝夹芯铝管,并进行压缩实验,研究了这种结构材料的压缩力学行为和变形特征以及材料的结构特征参数对压缩力学性能和能量吸收特性的影响。在压缩过程中,泡沫铝夹芯铝管的载荷-位移曲线呈现出弹性段、波动的屈服平台段和压实段3个阶段特征;铝管的径厚比及泡沫铝本身的参数和强度对填充管的屈服强度、平均压溃力和吸能特性均有着非常显著的影响。填充泡沫铝后铝管的压缩变形方式发生改变,管壁只发生向外翻折变形,产生的环状褶皱减少。     

On the mechanics of braided composites in tension

An experimental investigation is reported on the uniaxial tensile behaviour of braided tubes, comprising glass fibres in an epoxy matrix. The failure mode switches from fibre fracture to neck propagation when the helix angle, defined as the angle between the fibre direction and the axis of the tube, exceeds about 45°. The observed neck geometry is used to deduce the evolution of deformation and damage within the matrix, and a work calculation is used to estimate the steady state neck propagation stress from a micromechanical model of braid deformation. A failure chart is constructed to show the effect of braid geometry on elastic modulus, yield strength, strain to failure and energy absorption of the braid.     

On the effect of temperature gradient on the stability of circular tubes made of hyperelastic entropic material

Rubber-like materials are very applicable in almost all fields of industries, but due to their large deformation characteristic, they can exhibit a variety of instabilities. Accordingly, many researchers have been motivated to investigate the effects of different parameters on the stability of hyperelastic cylindrical tubes under finite deformation, while the effects of temperature gradient have not been considered. In this paper, the effects of temperature variation on the stability and thermo-mechanical behavior of the cylindrical tubes made of the entropic materials such as rubber-like materials and elastomers are investigated via an effective strain energy density function. To this purpose, an Ogden-type strain energy density with only integer powers is applied in order to determine an analytical solution, not involving the integral form, for the stress distribution through the wall thickness of cylindrical tubes at finite deformation thermoelasticity. This problem is examined in two cases including (i) a thick-walled cylindrical tube under internal pressure and uniform variation of temperature and (ii) a thick-walled cylindrical tube under internal pressure and temperature gradient, simultaneously. It was observed that the positive temperature gradients in comparison with environment temperatures improve the stability of the circular tubes made of the entropic materials.     

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。     

复合材料柱管撞击分析中的有限元方法

建立了复合材料柱管结构在撞击状态下的有限元分析模型,考虑了撞击大变形引起的几何非线性、撞击接触的非线性、纤维树脂复合材料的各向异性及材料的物理非线性．给出了利用该有限元方法分析玻璃环氧柱管撞击吸能特性,并与试验进行了比较,得到了较好的吻合结果,表明该有限元方法是有效的．此外,还讨论了纤维的铺设角度对复合材料管的吸能性能的影响．     

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.     

引入Sierpinski层级特性的新型薄壁多胞管轴向冲击吸能特性

为提高薄壁结构的吸能能力,基于Sierpinski分形结构提出了一种具有层级特性的新型薄壁管,即Sierpinski层级管（Sierpinski hierarchical tube, SHT）。采用非线性有限元法对SHTs在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了数值分析,并与普通三角形薄壁管在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了对比。结果表明:SHTs的变形模式为轴对称渐进屈曲模式,在薄壁管中引入Sierpinski层级特性后,胞壁弯曲过程的半折叠波长减小,促使压缩过程中形成更多的塑性折叠单元,有利于提高薄壁结构能量吸收能力。进一步基于能量守恒理论和塑性铰理论对SHTs的轴向压缩应力进行理论求解,并通过有限元数值模拟验证其准确性。在相同的相对密度下,一阶、二阶及三阶SHTs的动态压缩应力较普通三角形薄壁管的动态压缩应力提高了85.8%、138.2%和183.8%。将Sierpinski层级特性引入薄壁管的设计中,能够有效提高薄壁管的耐撞性能。     

弧形折纸模式薄壁结构的压缩变形与能量吸收

选用PolyMaxTM PLA为试样材料,利用3D打印技术制备了弧形折纸薄壁管件。基于准静态轴向压缩实验,运用ABAQUS软件对弧形折纸薄壁管件轴向准静态压缩和冲击行为进行了有限元计算,探讨了其变形模式和能量吸收特性,分析了预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。有限元计算结果与实验结果吻合较好。薄壁管件的变形过程可分为4个阶段:初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。弧形折痕的引入能够有效地降低薄壁管件在压缩过程中的初始压溃载荷峰值,减小冲击载荷的振荡幅值。对比了高度相等、质量近似相等的方管与弧形折纸薄壁管在不同冲击速度下的压缩变形与能量吸收。在准静态压缩作用下,对于单胞模型,仅有折痕倾角为70°的模型的比吸能优于方管;对于多胞管件阵列模型,方管的比吸能均优于折纸管。折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管,其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。在动态冲击压缩下,阵列方管的比吸能均优于阵列折纸管。当冲击速度为10 m/s时,折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管,其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。当冲击速度为20 m/s时,仅有折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率优于方管。     

预折纹管在低速冲击载荷作用下的能量吸收

为了降低结构的初始载荷、增加有效塑性变形面积,进而提高其吸能效率,研究一种以新型的预折纹管,在普通管的管壁上引入特别设计的折角。基于有限元软件ABAQUS/EXPLICIT的数值分析验证了预折纹在低速冲击载荷作用下可以引导预期的大变形模式,预折纹管的这种大变形模式相较于普通方管的对称变形模式有更低峰值载荷和更高的平均载荷。通过低速落锤实验获得了与有限元模拟结果相似的载荷-位移曲线和变形模式,验证了数值结果的可信性和预折纹方管的高效吸能特点。     

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。     

复合圆柱管撞击吸能特性实验研究

本文研究了外部缠有玻璃纤维增强环氧的金属圆柱管（简称为“复合管”）在轴向撞击载荷下的能量吸收特性。总结了复合管撞击渐进破坏压缩历程的瞬时速度、位移、载荷等的变化规律。从破坏模式、压缩速率（与准静态实验比较）、金属材料的性能、复合材料层的厚度、纤维的缠绕角这几个角度研究了复合管的吸能性能的影响因素。     

高速列车吸能结构设计和耐撞性分析

建立了高速列车头车的有限元模型,运用有限元软件LS-DYNA模拟了头车碰撞刚性墙的冲击过程。在碰撞发生时,原有设计方案的牵引梁主体的变形以整体屈曲为主,不利于缓冲吸能。在对原设计的耐撞性分析的基础上,建议对原有牵引梁结构加以改进,并在前端增加两组不同尺寸和厚度的带圆角的方管作为缓冲吸能管,考虑了在缓冲管中填充泡沫铝与否,形成了4种设计方案。数值模拟结果表明,与原设计方案相比,新方案的整个头车的吸能量有大幅度提高,刚性墙反力的峰值也有一定程度的降低,采用大的圆角半径的厚管并填充泡沫铝的方案的改进效果最明显。     

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。     

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。     

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.      

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.