高速冲击下薄壁组合结构吸能特性研究

研究了高速冲击下组合薄壁结构的吸能特性。采用显式动力有限元方法模拟薄壁结构在轴向冲击下的动态屈曲并分析其吸能特性,通过在结构上增加诱导缺陷和提出新型组合截面来提高其抗冲击吸能性能。同时对多种模型对比分析,研究了不同诱导缺陷、截面形式对吸能特性的影响,以得到最优化的结构。     

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。

     

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。     

局部表面纳米化双层嵌套式金属薄壁吸能结构的数值模拟和设计

基于局部表面纳米化技术,设计了一种双层嵌套式金属薄壁吸能结构。在表面纳米化技术对金属力学性能影响的研究基础上,优化了环向交错式和连续式条纹局部表面纳米化布局,得到了双层嵌套式方管吸能结构设计方案和吸能参数。结果表明,表面纳米化对材料的屈服极限提升显著,所设计的局部纳米化双层嵌套式方管吸能结构的比吸能可提高57.1%。同时也证实局部表面纳米化是一种有效的吸能提升技术。     

侧向爆炸冲击波加载作用下钢管吸能特性的实验研究

在爆炸冲击波作用下 ,对横卧单、双钢管吸能特性进行了实验研究。得出了影响钢管吸能效果的主要因素是几何尺寸、吸能元件配重的质量、结构形式等 ,且双钢管吸能元件的吸能效果好于单钢管的结论。     

不同铺层角度复合材料Ω形柱的吸能特性

复合材料Ω形柱在碰撞吸能和轻量化方面具有一定的应用潜力,为研究铺层角度和加载速率对复合材料Ω形柱吸能性能的影响,开展了碳纤维复合材料Ω形柱的轴向压缩实验,深入分析了其吸能评价指标及破坏机理。主要研究内容及结果如下：进行了3种铺层角度([0/90]_3s、[0/45/90/-45]₃和[±45]_3s)Ω形柱的准静态和动态压缩实验研究。准静态加载时,[0/90]_3s和[0/45/90/-45]₃铺层角度试样均表现为渐进破坏,而[±45]_3s铺层角度试样表现为非稳态破坏,破坏模式的不同导致其比吸能约为前2种铺层试样的1/2;动态加载时,3种铺层角度的Ω形柱均表现为渐进破坏,且比吸能较为接近。其中,[0/90]_3s和[0/45/90/-45]₃铺层角度Ω形柱在动态加载时的比吸能较准静态分别降低了29.70%和20.97%,而[±45]_3s比吸能较准静态提高了46.10%,破坏模式的转变是其比吸能提高的...     

圆弧曲边六边形蜂窝结构吸能特性研究

为提升金属蜂窝结构的冲击吸能特性,提出了圆弧曲边六边形蜂窝结构。建立了显式有限元模型,对面内和面外冲击下的失效模式和吸能特性进行了研究,分析了冲击速度等对冲击吸能特性的影响规律。结果表明在面外冲击情况下,曲边蜂窝具有比传统蜂窝结构更优异的吸能性能;面内冲击情况下,会出现“X”型、“V”型和“一”字型变形带等不同失效形式;冲击速度较大时,变形模式趋近于“一”字型;吸能能力随着冲击速度的增大而增加。

     

材料和内边界约束对薄壁圆管轴向压缩吸能特性的影响研究

为了在空间和质量约束条件下得到综合效率最优的能量吸收结构,通过数值方法分析了45#钢、6061-T6铝合金和TC4钛合金三种材料薄壁圆管在轴向压缩下的能量吸收行为,得到了材料、结构参数、内边界约束对薄壁圆管变形模式和能量吸收特性的影响。结果表明:相同厚径比时,延展性好的薄壁圆管发生渐进式压溃,而延展性差的薄壁圆管则发生轴向劈裂和渐进碎裂变形模式;结构的比能量吸收率随厚径比的增大而提高,其中钛合金管的比吸能率最高,但峰值载荷较大;当内径、高度和质量相同时,钛合金管的吸能量分别是铝合金管和钢管的1.1倍和3.1倍。此外,对于渐进压溃模式的薄壁圆管,可通过引入内边界约束改善其能量吸收特性,其比能量吸收率最大可提高13%左右。     

聚氨酯泡沫铝复合结构抗爆吸能试验及数值模拟分析

通过对聚氨酯泡沫铝和混凝土组成的复合结构进行接触爆炸试验,探讨了聚氨酯泡沫铝的吸能性能,并进行数值模拟分析。结果显示:聚氨酯泡沫铝的吸能性能明显优于泡沫铝,吸能层厚度对吸能效果影响很大,多层结构的聚氨酯泡沫铝吸能性能对比厚度一致的单层吸能层结构没有明显的改善;在保证了比较合理的吸能层厚度后,防护结构的每一层材料层存在着一个最佳的厚度组合来保证复合层优良的抗爆性能。     

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。     

Axial compression and energy absorption characteristics of high-strength thin-walled cylinders under impact load

Non-linear finite element software LS-DYNA is used to analyze the axial compression behavior and energy absorption of a high-strength thin-walled member under an impact load. To elucidate the effect of dynamic impact on the strain rate, the Cowper-Symonds equation is applied to analyze the plastic state of stress and the onset of dynamic yielding under different strain rates, such that the modeled deformation behavior of the member is consistent with the actual situation. Results for the thin-walled members made of mild steel and dual phase steel are compared. Assuming two different materials with equal sectional areas, an analysis confirms that the energy absorption of high-strength steel thin-walled component is better than the mild steel thin-walled component. Hence, thin-walled tubes made of high-strength steel are investigated using a series of analysis. The relationships between displacement and load, average load and energy absorption properties are obtained.     

Dynamic analysis of underground composite structures under explosion loading

In selecting rational types of underground structures resisting explosion, in order to improve stress states of the structural section and make full use of material strength of each part of the section, the research method of composite structures is presented.Adopting the analysis method of micro-section free body, equilibrium equations, constraint equations and deformation coordination equations are given. Making use of the concept of generalized work and directly introducing Lagrange multiplier specific in physical meaning,the validity of the constructed generalized functional is proved by using variation method.The rational rigidity matching relationship of composite structure section is presentedthrough example calculations.     

Analytical/experimental investigation of energy absorption in grid-stiffened composite structures under transverse loading

In this paper we summarize preliminary results from an analytical/experimental study of the energy absorption characteristics of grid-stiffened composite structures under transverse loading. Tests and quasi-static finite element analysis simulations were carried out for isogrid E-glass/polypropylene panels in three-point bending. The results of the tests and simulations show that these types of structures have excellent damage tolerance and that most of the energy absorption occurs beyond initial failure. It is also observed that even though the peak load is greater for loading on the skin side, the specific energy absorption and the range of displacements over which energy is absorbed are significantly better when the load is applied on the rib side.     

Failure behavior of composite sandwich structures under local loading

Usually when analyzing the mechanical response of foam-cored fiber-reinforced composite sandwich structures to localized static loading, the face sheets are treated as a linear-elastic material and no damage initiation and growth is considered. However, practice shows that at higher indentation magnitudes damage develops in the face sheet in the area of contact with the indentor, which could lead to local failure of the face laminate due to the loss of bending stiffness and strength. Therefore, the main objective of the present study is to develop a damage model for predicting the local failure in the composite face sheet and its influence on the load–displacement behavior of sandwich structures under local loading. For this purpose, the Hoffman failure criterion is incorporated into a finite element modeling procedure using the ABAQUS program system. Results deducted from the modeling procedure are compared with experimental data obtained in the case of static indentation tests performed on sandwich beam specimens using steel cylindrical indentors. It is shown that taking into account the damage in the face sheet leads to a substantial improvement in the performance of the model when simulating the mechanical behavior of the sandwich structures at higher indentation values.     

弧形折纸模式薄壁结构的压缩变形与能量吸收

选用PolyMax^TM 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。

     

含预置损伤复合材料加筋板的单轴压缩屈曲分析

通过试验和有限元方法分析了单轴压缩下加筋板的失效模式.研究了三种预置损伤位置及四种损伤尺寸的复合材料T型加筋板的线性及非线性屈曲行为,比较了损伤对临界屈曲载荷和最大失效载荷的影响.研究结果表明:损伤位置在桁条间蒙皮时,损伤的尺寸对其临界屈曲载荷和最大失效载荷影响较小;损伤位置在桁条区蒙皮时,加筋板的临界屈曲载荷随损伤尺寸的增加而明显降低,最大降低50%;损伤位置在桁条边凸缘处蒙皮时,加筋板最大失效载荷所受影响随损伤尺寸的增加而明显降低,最大降低25%.从而得到了复合材料加筋板临界屈曲载荷比和最大失效载荷比与损伤位置及尺寸的关系图.     

Study on failure process of delaminated stiffened composite plates under compression

Failure behavior of the delaminated stiffened composite plates under compression is studied by the finite element method, based on a Global-Local variational model. A virtual crack closure technique and a self-adaptive grid moving scheme are proposed to predict the delamination growth process. The contact effect along the delamination front is considered. The numerical results show that the influences of the distribution and location of the stiffeners, the configuration and size of the delamination, the boundary condition and the contact upon the failure behavior of the plates are significant. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (59975014)     

不同加载速率下砂岩弯曲破坏的细观机理

岩石细观破裂形貌是岩石破坏机制的重要反映,为研究不同加载速率对砂岩弯曲破坏的影响,通过三点弯曲实验和扫描电镜方法,对某煤矿关键层砂岩弯曲破断裂纹细观形态以及裂纹的自相似性进行了研究。选取6个不同加载速率对岩样进行三点弯曲实验,观察其宏观断裂情况,并利用扫描电镜对弯曲断裂面表面裂纹细观结构进行观察,并拍摄不同倍数下的扫描电镜图片。对图片进行图像处理后得到砂岩弯曲断裂破坏细观裂纹信息,并计算得到微裂纹的分形盒维数值。结果显示:随着加载速率的提高,砂岩穿晶断裂的比例也随之升高,裂纹分形维数亦随着加载速率的增大而增加,同时,分形维数还与弯曲断裂破坏荷载和抗弯强度成正比。可见,加载速率对断裂方式有一定的影响,且加载速率越大断裂所需的破坏能越大,裂纹分布越广,表明开采速度与岩爆等岩体动力灾变有密切关系。