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。     

铝/硅橡胶复合材料动态压缩行为的研究

通过向开孔泡沫铝中填充硅橡胶而制备了铝 /硅橡胶复合材料 ,在Hopkinson压杆实验装置上对这种材料进行了动态压缩实验 ,分析了其动态压缩应力 应变响应特征 ,并与开孔结构泡沫铝的压缩行为进行了比较。结果表明 :铝 /硅橡胶复合材料的压缩应力 应变响应具有两个阶段的特征 ,即弹性和塑性变形阶段 ;这种复合材料具有较强的应变率效应 ,随应变率的提高 ,其屈服强度和流动应力显著上升。     

泡沫铝泡孔动态变形特性研究

在SHPB实验中采用应变冻结法将试件冻结于设定的压缩应变,然后观察内部泡孔的变形情况并讨论其变形机理。分别对同一相对密度(40%)、不同基体材料的两种泡沫铝以及两种相对密度(19%和8%)、相同基体材料的泡沫铝进行实验,讨论了基体材料的本构关系、泡沫的相对密度对变形模式的影响。利用ANSYS/LS DYNA软件对泡沫铝在动态压缩时泡孔的变形进行数值模拟计算,进一步说明泡沫铝泡孔变形的模式与基体材料本构关系及相对密度的关系。     

泡沫铝率相关性能的有限元模拟

构建了三维随机分布球形泡孔模型,模拟开、闭孔混合结构泡沫铝材料的微细观结构,并通过有限元方法计算了10~104 s-1应变率范围内、孔隙率35%~65%泡沫铝材料的率相关性以及应变率和相对密度变化对泡沫铝动态压缩力学性能的影响。研究表明:中、低应变率下,泡沫铝材料率相关性能主要取决于基体材料的应变率敏感性;高应变率下,泡沫铝材料率相关性能受基体材料的应变率敏感性以及微结构惯性联合作用,且相对密度较低泡沫铝材料的微结构惯性效应更显著。     

航空用芳纶纸蜂窝各向异性行为研究

采用Arcan加载装置对航空用芳纶纸蜂窝试件进行一系列面外压剪复合加载实验,以此研究材料各向异性行为。实验结果表明:随着面内方向角增加,芳纶纸蜂窝面内等效剪切模量、等效剪切强度显著减小,实验屈服面显著扩张,材料表现出明显的各向异性。基于实验结果,确定了测试蜂窝面内等效剪切模量、等效剪切强度上下限值及其比值关系,并与理论值进行比较。一个适用于各向异性材料的屈服准则与实验屈服面进行比较,比较结果表明:屈服准则能大致描述蜂窝各向异性屈服行为。     

高应变率下TiC_P/Ti复合材料的动态拉伸性能

采用旋转盘式杆-杆型动态拉伸试验机对TiCP颗粒增强钛基复合材料及其基体钛合金的动态拉伸性能进行了研究.同时为了比较,在MTS810试验机上做了两种材料的准静态试验.试验结果表明,复合材料及基体材料屈服后至材料的迅速失效,几乎没有应变硬化效应;复合材料的抗拉强度和屈服强度较基体明显提高,但延性明显下降;钛合金基体和复合材料均有明显的应变率强化效应,但复合材料的应变率强化效应明显高于基体;建立了复合材料率相关的本构关系.最后从位错等微观角度分析了复合材料的强化机理、复合材料的应变率敏感性以及复合材料应变率敏感性高于基体的原因.     

基于相对即时密度的泡沫铝材料力学性能研究

通过对圆柱形泡沫铝试件进行静态压缩和冲击实验，考察了泡沫铝的初始密度、孔径和尺寸等因素对材料应力应变关系的影响，研究了基于相对即时密度的泡沫铝材料的塑性行为。实验所用泡沫铝试件包含四种尺寸，三种孔径及多种初始密度。实验结果表明，初始密度对泡沫铝的应力应变关系有着显著的影响，而其他因素，如孔径、试件尺寸等的影响较小。基于实验结果，提出了一种新的泡沫铝材料力学性能的描述方法，即用材料的相对即时密度与应力的关系来描述泡沫铝材料的塑性行为。该关系适用于静态和动态加载情况，只是两种情况下的参数不同。基于该方法，发现泡沫铝的塑性行为可以用单一的应力一相对即时密度关系描述，这一关系甚至不依赖于材料的初始密度，这将使泡沫铝材料塑性行为的描述大大简化。     

2D周期蜂窝结构面内静动态压缩力学行为研究

基于``平板开缝-装配-焊接'工艺制备了以高聚物为基体的Kagome等蜂窝结构,并开展了Kagome, 正三角形和菱形蜂窝结构的面内准静态压缩力学行为实验研究,实验过程中应用CCD图像采集系统和图像相关法对试件进行了全场位移监测. 另外对比传统正六边形蜂窝,采用数值分析技术,模拟了低速冲击下不同蜂窝结构坍塌行为. 实验结果和数值模拟均揭示了在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下,Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于其它3种蜂窝结构,并发现了Kagome蜂窝压缩变形时所特有的局部蜂窝旋转变形. 研究结果表明改变蜂窝形状和周期性排布会对蜂窝结构整体的变形模式以及能量吸收性能产生较大的影响.      

基于水平土拱效应的桩间挡土板土压力计算研究

基于``平板开缝-装配-焊接'工艺制备了以高聚物为基体的Kagome等蜂窝结构,并开展 了Kagome, 正三角形和菱形蜂窝结构的面内准静态压缩力学行为实验研究,实验过程中应用 CCD图像采集系统和图像相关法对试件进行了全场位移监测. 另外对比传统正六边形蜂窝, 采用数值分析技术,模拟了低速冲击下不同蜂窝结构坍塌行为. 实验结果和数值模拟均 揭示了在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下,Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于 其它3种蜂窝结构,并发现了Kagome蜂窝压缩变形时所特有的局部蜂窝旋转变形. 研究结果 表明改变蜂窝形状和周期性排布会对蜂窝结构整体的变形模式以及能量吸收性能产生较大的 影响.     

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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.     

Inertia effects on the progressive crushing of aluminium honeycombs under impact loading

This paper presents the test results under quasi-static and impact loadings for a series of aluminum honeycombs (3003 and 5052 alloys) of different cell sizes, showing significantly different enhancements of the crushing pressure between 3003 honeycombs and the 5052 ones. A comprehensive numerical investigation with rate insensitive constitutive laws is also performed to model the experimental results for different cell size/wall thickness/base material, which suggests that honeycomb crushing pressure enhancement under impact loading is mostly due to a structural effect.Such simulated tests provide detailed local information such as stress and strain fields (in the cell wall) during the whole crushing process of honeycombs. A larger strain (in the cell wall) under impact loading than for the quasi-static case before each successive folding of honeycombs is observed, because of the lateral inertia effect. Thus, differences of the ratios of the stress increase due to strain hardening over the yield stress between 3003 and 5052 alloys lead to the different enhancements of crushing pressure. This result illustrates that the lateral inertia effect in the successive folding of honeycombs is the main factor responsible for the enhancement of the crushing pressure under impact loading.     

Dynamic crushing and energy absorption of regular,irregular and functionally graded cellular structures

The in-plane dynamic crushing of two dimensional honeycombs with both regular hexagonal and irregular arrangements was investigated using detailed finite element models. The energy absorption of honeycombs made of a linear elastic-perfectly plastic material with constant and functionally graded density were estimated up to large crushing strains. Our numerical simulations showed three distinct crushing modes for honeycombs with a constant relative density: quasi-static, transition and dynamic. Moreover, irregular cellular structures showed to have energy absorption similar to their counterpart regular honeycombs of same relative density and mass. To study the dynamic crushing of functionally graded cellular structures, a density gradient in the direction of crushing was introduced in the computational models by a gradual change of the cell wall thickness. Decreasing the relative density in the direction of crushing was shown to enhance the energy absorption of honeycombs at early stages of crushing. The study provides new insight into the behavior of engineered and biological cellular materials, and could be used to develop novel energy absorbent structures.     

负泊松比蜂窝材料的动力学响应及能量吸收特性

针对传统正方形蜂窝,通过用更小的双向内凹结构胞元替代原蜂窝材料的结构节点,得到了一种具有负泊松比特性的节点层级蜂窝材料模型。利用显式动力有限元方法,研究了冲击荷载作用下该负泊松比蜂窝结构的动力学响应及能量吸收特性。研究结果表明,除了冲击速度和相对密度,负泊松比蜂窝材料的动力学性能亦取决于胞元微结构。与正方形蜂窝相比,该负泊松比层级蜂窝材料的动态承载能力和能量吸收能力明显增强。在中低速冲击下,试件表现为拉胀材料明显的"颈缩"现象,并展示出负泊松比材料独特的平台应力增强效应。基于能量吸收效率方法和一维冲击波理论,给出了负泊松比蜂窝材料的密实应变和动态平台应力的经验公式,以预测该蜂窝材料的动态承载能力。本文的研究将为负泊松比多胞材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供新的设计思路。     

Dynamic compressive strength properties of aluminium foams. Part II—‘shock’ theory and comparison with experimental data and numerical models

One-dimensional ‘steady-shock’ models based on a rate-independent, rigid, perfectly-plastic, locking (r-p-p-l) idealisation of the quasi-static stress-strain curves for aluminium foams are proposed for two different impact scenarios to provide a first-order understanding of the dynamic compaction process. A thermo-mechanical approach is used in the formulation of their governing equations. Predictions by the models are compared with experimental data presented in the companion paper (Part I) and with the results of finite-element simulations of two-dimensional Voronoi honeycombs.A kinematic existence condition for continuing ‘shock’ propagation in aluminium foams is established using thermodynamics arguments and its predictions compare well with the experimental data. The thermodynamics highlight the incorrect application of the global energy balance approach to describe ‘shock’ propagation in cellular solids which appears in some current literature.     

胞孔构型对金属蜂窝动态力学性能的影响机理

采用ANSYS/LS-DYNA有限元研究了具有不同胞孔构型和排列方式的金属蜂窝材料在面内冲击荷载下的力学性能。在蜂窝的相对密度和冲击速度保持恒定的情况下,比较了它们的变形模式、动态承载力和能量吸收性能。结果表明,不同的胞孔构型导致在蜂窝压垮过程中胞壁的受力状态不同,从而影响蜂窝的宏观力学性能。根据胞壁的应力状态,可将蜂窝分为膜力主导蜂窝和弯曲主导蜂窝2大类。研究结果显示,蜂窝吸收的能量绝大部分转化为变形所需的内能,并且膜力主导蜂窝的内能占总能量的百分比更大。胞壁的屈曲导致膜力主导蜂窝的应力应变曲线呈现较大的波动。膜力主导蜂窝在变形过程中其胞壁会耗散更多的内能,从而比弯曲主导蜂窝具有更高的动态承载力和能量吸收能力。     

脆性颗粒材料的应变率效应机理研究

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）,对干燥石英砂进行了被动围压下的动态压缩实验,发现石英砂表现出了明显应变率效应。通过激光粒度分析测量了动静态压缩后的试件的级配曲线,发现同一应力水平下准静态压缩比动态压缩后的试件的颗粒破碎量更大。而通过拟合相对破碎率与外力功之间的关系,发现准静态压缩在颗粒破碎方面能量利用率更高也即破碎效率更高,而这正是脆性颗粒材料应变率效应的本质原因。     

含随机填充孔圆形蜂窝结构的面内冲击性能

研究多孔材料细观结构与宏观力学性能之间的关系, 建立具有固定相对密度的含随机固体填充孔的圆形蜂窝结构模型。在此模型的基础上具体讨论了不同孔洞填充比和冲击速度对圆形蜂窝结构变形模式、动态冲击平台应力以及能量吸收性能的影响。研究结果表明:填充孔在蜂窝变形过程中有局部牵制作用, 蜂窝材料变形模式仍为准静态模式、过渡模式、动态模式; 当变形模式为过渡模式或动态模式时, 结构的平台应力与速度的平方成线性关系, 存在明显的速度效应; 高速冲击下, 含固体填充孔的蜂窝结构单位质量吸收的能量高于规则蜂窝结构。研究结果可为蜂窝材料的研究和设计提供参考。     

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      

铝蜂窝的动态力学性能及影响因素

采用显式动力有限元方法研究了具有不同胞元结构的六角形铝蜂窝在冲击荷载下的力学性能,讨 论了铝蜂窝的变形模式和动态承载力以及影响因素。通过改变胞壁夹角得到5种不同的胞元结构,计算采用 了3种冲击速度。结果表明,在准静态变形模式下,胞元的几何因素对铝蜂窝的承载力起主导作用;一旦蜂窝 的变形呈现动态模式后,惯性效应显著,对蜂窝承载力起决定作用,胞元几何因素的影响不再明显;在过渡模 式下,惯性效应与几何因素共同主导蜂窝的动态承载力,并且冲击速度越高,惯性效应的影响越大。     

圆柱薄壳的动相变屈曲行为

利用MTS809材料试验机对TiNi圆柱薄壳进行了轴向动渐进相变屈曲实验,对轴向冲击下处于伪弹性状态的TiNi合金柱壳的动相变屈曲行为进行了数值模拟研究。结果表明,不同的加载强度将会激发出柱壳不同的动屈曲响应模态。当冲击速度较高时,柱壳两端首先形成轴对称环形相变屈曲波纹,并产生应力平台;随着马氏体含量不断增加,环形相变屈曲波纹逐渐贯穿整个壳体,名义应力缓慢抬升;当名义应变超过一定阈值时,对称环形屈曲模态突变为非轴对称块状屈曲模态,名义应力大幅下降。撞击速度为40 m/s的算例（含10％随机缺陷）与S.Nemat-Nasser等的实验结果很好吻合,说明本文中计算模型、方法和结果的有效性经过了实验的考核。结果还表明,相变耗能是TiNi柱壳吸收冲击能量的主要机制,适合制作可重复使用的高效吸能元件,并给出了相应的理想厚径比。