落锤冲击加载实验装置及结构耐撞性实验研究

本文介绍ＤＨＲ９４０１落锤式冲击加载试验机的结构特点和工作性能,及其在结构耐撞性实验研究方面的几个典型应用     

仿生波纹夹层结构耐撞性分析及优化

为提高薄壁夹层结构耐撞性,以虾螯为仿生原型,设计梯度分布的仿生波纹形夹层结构,包括单层、双层和三层波纹结构。以初始峰值载荷F_p、比吸能E_s为耐撞性指标,利用有限元法分析了单元高宽比γ（γ₁、γ₂和γ₃分别为单元第1层、第2层和第3层的高宽比）对波纹夹层结构耐撞性的影响,采用多目标粒子群优化方法得到了夹层结构最优参数。结果表明,单层波纹结构耐撞性随单元高宽比γ的增大逐渐变差,双层波纹结构下层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响大于上层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响,较小的γ值有利于提高三层波纹结构的比吸能。结构优化结果表明:单层结构最优尺寸γ₁为0.8;双层结构最优尺寸为γ₁ = 0.5和γ₂ = 1.2;三层结构最优组合为γ₁ = 0.6,γ₂ = 0.6和γ₃ = 0.9。上述结果可为薄壁夹层结构轻量化设计提供新思路。     

民机机身结构耐撞性研究的进展与挑战

应急着陆场景下的民机耐撞性与乘员安全直接相关,是民机安全性的重要体现,其中机身结构耐撞性是民机结构强度领域内的研究热点。机身结构耐撞性是复杂的非线性冲击动力学问题,涉及到结构的大变形、断裂失效与动态接触等。运输类飞机适航标准对机身结构耐撞性做出了明确规定,要求通过合理的设计,避免乘员承受过于严酷的冲击载荷,维持客舱内大质量体的有效约束,保持乘员的可生存空间以及维持乘员应急撤离通道的可用等,相关的设计需要通过实验方法或经验证的分析方法进行评估。本文对民机机身结构耐撞性研究中的几个关键问题,如紧固件和机械连接结构的冲击动力学行为,高效吸能元件与吸能结构设计方法,机身结构耐撞性评估的实验与数值方法等近年来的研究情况进行了分析,总结了主要研究进展,并分析了当前研究面临的主要挑战。     

民机机身结构耐撞性研究的进展与挑战

应急着陆场景下的民机耐撞性与乘员安全直接相关,是民机安全性的重要体现,其中机身结构耐撞性是民机结构强度领域内的研究热点。机身结构耐撞性是复杂的非线性冲击动力学问题,涉及到结构的大变形、断裂失效与动态接触等。运输类飞机适航标准对机身结构耐撞性做出了明确规定,要求通过合理的设计,避免乘员承受过于严酷的冲击载荷,维持客舱内大质量体的有效约束,保持乘员的可生存空间以及维持乘员应急撤离通道的可用等,相关的设计需要通过实验方法或经验证的分析方法进行评估。本文对民机机身结构耐撞性研究中的几个关键问题,如紧固件和机械连接结构的冲击动力学行为,高效吸能元件与吸能结构设计方法,机身结构耐撞性评估的实验与数值方法等近年来的研究情况进行了分析,总结了主要研究进展,并分析了当前研究面临的主要挑战。     

高速动车组被动安全性和耐撞性研究

随着列车高速和重载的发展,对列车被动安全性的研究日益重要.本文以CRH3动车组为载体,应用碰撞仿真软件PAM-CRASH和多学科协同优化软件iSIGHT进行碰撞数值模拟分析和吸能结构优化,得到CRH3动车组在大变形碰撞时的变形模式及各碰撞参数,并对动车组的吸能结构进行评估及最优设计,实现车辆的被动安全保护和耐撞性优化设...     

基于耐撞性的塑性变形教学改革

塑性变形是力学的重要教学内容之一,在横力弯曲变形、塑性铰等教学过程中存在偏重概念和理论推导,缺乏实际工程背景等问题。为了提高学生学习兴趣,提出以飞行器和汽车等运载装备耐撞性能需求的塑性变形教学改革模式。首先从实际运载装备在冲击事故中的乘员安全需求为牵引,引出耐撞性工程问题,通过合理假设建立力学模型,建立与塑性变形、塑性铰等教学内容的联系,推导预测压溃载荷的理论公式,让学生体会到理论学习的重要性,通过误差分析让学生理解力学模型的局限性并提高模型精度,提升学生学习兴趣。通过航天器迫降、圆管多边形破坏模式、点阵结构等工程和学术前沿问题,开拓学生视野,进一步夯实理论基础,提高创新能力。

     

仿虾螯结构薄壁管设计及耐撞性分析

为提高薄壁管的耐撞性能,以虾螯为生物原型,通过结构仿生原理设计了仿虾螯结构多晶胞薄壁管。以晶胞数（2～6）和冲击角度（0°、10°、20°、30°）为试验因素,利用有限元法分析了仿虾螯结构多晶胞薄壁管在不同冲击角度下的耐撞性能,通过落锤试验验证了仿真结果的可靠性。结果表明：2晶胞仿生管在轴向和斜向载荷下的耐撞性最优。同工况条件下,减少晶胞数可降低仿生管峰值载荷。斜向冲击载荷下,仿生管保持稳定叠缩变形模式的时间随晶胞数的增加而缩短,其耐撞性能随晶胞数的增加而降低。虾螯结构特征与普通圆管的结合有效提高了仿虾螯结构多晶胞薄壁管的耐撞性能。

     

惯性释放法在结构耐撞性拓扑优化中的应用和改进

惯性释放法是在飞行器设计中采用的一种近似分析方法,用于获得载荷作用下的自由-自由结构的内力响应。为了克服结构耐撞性拓扑优化问题求解的困难,探讨了惯性释放法在结构耐撞性拓扑优化中的应用和改进。将惯性释放法改进的惯性释放法、ESL(等效静力法)的优化思想与HCA(混合胞元自动机法)的材料更新规则结合,提出了一种新的高效的可用于耐撞性拓扑优化问题的混合法。数值算例结果表明,改进的惯性释放法对于多数碰撞问题均可以获得精度较高的结果,而惯性释放法对部分问题同样可以获得精度较高的结果,同时应用过程更加简便。优化算例的结果显示,新的混合法可以获得吸能性能更好的结构设计,同时有效地降低优化过程的耗时。     

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。     

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。     

考虑车辆高速和低速耐撞性的多目标优化设计

<正>面高速耐撞性设计,需确保车内乘员的人身安全,使车内乘员的人身伤害降到最低;正面低速耐撞性设计,要求尽量减少车辆在碰撞中的损伤,使车辆具有良好的碰撞损伤修复经济性。本文根据上述特点,将车辆的正面高速耐撞性与正面低速耐撞性相结合,并且考虑车身部件的轻量化,提出了一种优化设计方法。该方法将保险杠、吸能盒内外板以及前纵梁内外板五个部件厚度作为优化设计变量,在正面低速碰撞中,以前纵梁吸收的碰撞总能量作为其是否发生较大变形的依据,利用代理模型和遗传算法进行了优化计算。最后,将该方法应用在某一车型的耐撞性设计中。     

厚度幂指数分布管状结构耐撞性设计准则与方法研究

厚度或质量连续分布技术对车身薄壁结构的轻量化和性能设计有着非常重要,甚至起到决定性的作用,从设计方法上研究连续变厚度结构在车身零部件中的耐撞性应用是安全性设计所需的主要工作。本文研究一种较新颖的薄壁吸能结构,其管壁厚度按照幂指数形式连续分布,根据此分布特点推导出了该薄壁结构在等质量条件下与其他管状结构(比如均匀管、拼焊管和锥管等)之间相关参数的定量解析关系,给出了前者的耐撞性设计准则,评估了不同梯度对幂指数管耐撞性能的影响。分析结果显示,该新颖管状结构比其他截面管具有更理想的耐撞特性。然后,在2个设计区间内对梯度指数分别采样并构造近似模型,采用遗传算法作为求解器得出了非劣解前沿,研究发现高阶响应面近似模型得到的设计结果不一定是最优的。     

双壳船内外壳结构耐撞性试验与仿真研究

结合船舶加筋板结构缩尺模型的耐撞性试验和有限元仿真分析,研究了双壳船舷侧内、外壳结构的碰撞损伤特性,并在此基础上对舷侧内、外壳结构的碰撞损伤性能进行了分析比较.结果表明:虽然双壳船舷侧内、外壳结构在耐碰撞能力方面的差异不是很大,但在渐进破坏过程及其总体破坏模式方面却存在一些明显的区别.而加强筋的侧向挤压变形对加筋板总体碰撞损伤性能并不会产生很明显的影响.影响船体舷侧结构耐撞性能的主要内力要素是加强筋截面内的轴力以及船壳板中面内的膜力.为了提高加筋板结构的耐碰撞能力,就要尽可能地减小结构的局部弯曲变形,较好的设计方案是增加外壳板厚度和减小加强筋尺寸.     

展开式战斗部能量吸收铰链结构

基于展开式战斗部动力学展开原理及理论模型,设计一种具有能量吸收特性的限位铰链,并对不同辅助装药量下展开式战斗部的展开过程进行数值模拟,对比分析了普通铰链和能量吸收铰链的展开过程,重点研究了限位角度时的受力与能量吸收情况,结果表明能量吸收铰链可以更好地降低碰撞力及提高吸能效果。对两种铰链装配的展开式战斗部结构进行了静爆实验,结果显示普通铰链发生不同程度的破坏,而能量吸收铰链结构完整,证明能量吸收铰链达到限位角度时能有效保证战斗部及铰链的完整性,进而验证了能量吸收铰链设计的合理性以及数值模拟的可靠性。     

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。     

可控薄弱环节复合材料圆柱壳的耐撞性研究

为了验证SMA可控薄弱环节的效果,制作了含有与不含有SMA丝的玻璃/环氧复合材料圆柱壳试验件,并对其进行了准静态轴向压缩试验,比较了各种试件的峰值载荷、平均载荷以及吸能能力。试验结果表明,可控薄弱环节不但可以降低试件的峰值载荷,而且能够改善复合材料结构的耐撞性能,有望解决传统复合材料吸能结构设计中静强度(刚度)与耐撞性之间的矛盾问题。     

基于Kriging的泡沫填充锥形薄壁结构耐撞性6σ稳健性优化设计

锥形薄壁结构的耐撞性设计过程中,其设计变量和噪声因素都具有一定的波动性,都存在不确定性.传统的优化设计方法由于忽略不确定因素的影响,当设计变量产生波动时,往往会引起设计最优目标超出约束界限或者目标函数对设计变量的波动极为敏感,从而导致设计失效.为了考虑参数的不确定影响,论文提出了一种结合试验设计技术、Kriging近似建模技术、蒙特卡罗模拟技术和6σ质量控制理念的稳健优化设计方法,并应用该方法对泡沫填充锥形薄壁结构的耐撞性进行了优化设计.优化结果表明,该方法提高了锥形薄壁结构的耐撞性,同时也提高了设计变量的可靠性和目标函数的稳健性.由于在优化过程中调用的是Kringing模型,该方法比传统的优化方法具有更高的优化设计效率.算例表明,该方法具有非常强的工程实用性,能大幅提高产品的设计质量.     

利用金属塑性变形原理的碰撞能量吸收装置

1.引言在现代世界上,各种车辆、船舶、飞行器的数量越来越多,速度越来越快,碰撞事故也随之日益增加,每年都要造成严重的生命和财产损失。因此,近20多年来,碰撞问题已引起许多国家的严重关注。解决这个问题的主要途径,是研究与提高各种车辆、船舶、飞行器结构的耐撞性(structural crashworthiness),参见[1—4]。同时,在某些特定的工况(例如飞行器的紧急着陆,核电站和高速公路旁重要设施的防护等等)下,已有结构难以满足吸      

仿生多胞薄壁管耐撞性分析及优化

为提高薄壁管结构耐撞性,以雀尾螳螂虾螯为仿生原型,结合仿生学设计方法,设计一种含正弦胞元的多胞薄壁管结构。以初始峰值载荷、比吸能和碰撞力效率为耐撞性指标,通过有限元数值模拟分析了不同碰撞角度（0º、10º、20º和30º）条件下,仿生胞元数对薄壁管耐撞性的影响,通过多目标的复杂比例评估法获取仿生薄壁管的最优胞元数。基于不同碰撞角度权重因子组合,设置了4种单一角度工况和3种多角度工况,采用多目标粒子群优化方法获取了不同工况下薄壁管结构最优胞元高宽比和壁厚。复杂比例评估结果表明,胞元数为4的薄壁管为最优晶胞数仿生薄壁管。优化结果表明,单一角度工况下,最优结构参数高宽比的范围为0.88～1.50,壁厚的范围为0.36～0.60 mm,碰撞角度为0º和10º的最优高宽比明显小于碰撞角度为20º和30º的;多角度工况下,最优高宽比范围为1.01～1.10,壁厚范围为0.49～0.57 mm。

     

复合材料波纹梁盒段耐撞性的数值模拟

运用MSC/DYTRAN有限元软件,结合参数等效的方法对复合材料波纹梁盒段的碰撞过程进行了数值模拟,获得了波纹梁盒段碰撞时的破坏过程、载荷-时间曲线、能量吸收能力等数据,将计算结果与M.A.McCarthy的试验结果进行对比,可以发现两者比较吻合。从而说明采用参数等效的方法可以得到复合材料结构耐坠撞性设计中需要的数据。