高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理

建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合模拟方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明:夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦因数对夹芯梁的动态响应无显著影响。     

PVC夹芯板在冲击载荷下的动态响应与失效模式

通过开展对泡沫金属子弹撞击加载聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)夹芯板的实验,结合三维数字图像相关性(three dimensional digital image correlation, DIC-3D)技术,研究固支夹芯板在撞击加载条件下的动态响应,获得夹芯板受撞击及响应的变形过程,并结合图像分别分析夹芯板整体及三层结构的变形和失效模式;研究子弹冲量与背板最终变形之间的关系和相似冲量下等面密度不同芯层密度的夹芯结构的抗撞击性能。结果表明:夹芯板的破坏和失效主要集中在泡沫金属子弹直接作用区域,背板挠度由中间向固定端逐渐减小,子弹冲量与背板变形近似成线性关系。在等质量的条件下,降低芯层密度、增加芯层厚度可以有效降低背板的变形,实验结果对聚合物夹芯结构的工程优化设计具有一定的参考意义。     

内爆炸载荷下泡沫铝夹芯圆管塑性动力响应及能量耗散机理

通过实验、理论和数值模拟研究泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的动态变形模式及吸能机制.采用不同质量的球形乳化炸药进行爆炸试验.结构轴向变形分为3个区:大塑性变形区、绕塑性铰的刚性旋转区和无变形区.在考虑环向膜力和轴向弯矩的情况下,提出内爆作用下夹芯圆管动态响应的显式计算方法.通过建立基于三维Voronoi算法的泡沫芯有限元模型,探索结构能量耗散机制.通过实验观测到的泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的变形机制,结合内外管的弯曲变形及芯层压缩,给出了结构在响应过程中能量吸收的理论解.以结构比吸能和外管中心挠度为控制参量求得夹芯圆管的最优解集.进一步研究炸药质量、内外管直径、壁厚及芯层轴向梯度排列方式对结构动态变形模式和吸能机制的影响.结果表明:内管壁厚对外管中心线的挠度影响较大,而芯层厚度和外管壁厚的影响较小;如果夹芯圆管的轴向梯度结构从管轴向对称面到两端边缘呈对称递减分布时,具有较好的抗爆性;数值计算和实验测试结果均与理论预测吻合.     

高速冲击载荷下梯度金属泡沫夹芯梁的动态响应与失效

采用泡沫弹冲击加载实验对梯度金属泡沫夹芯梁结构开展了不同冲击强度下的动态响应和失效研究,分析了由三种不同密度泡沫铝组成的等面密度的五种不同梯度的夹芯结构在夹支边界条件下的抗高速冲击性能,结合三点弯曲实验,研究梯度效应对夹芯结构抗冲击性能的影响。研究表明：密度梯度对结构的失效过程和失效模式有着明显的影响,且夹芯梁结构的初始失效模式对结构整体响应和主要的能量吸收机制起着主导作用;当冲击条件不足以使得均质芯材发生压缩时,均质及负梯度夹芯结构初始失效模式为整体弯曲变形,低强度芯层位于前两层的梯度结构随着冲击强度的变化出现不同程度的局部芯层压缩;当冲击强度较低时,梯度结构通过丰富的局部失效表现出明显优于均质结构的抗冲击变形能力;当冲击强度大于临界值时,均质结构具有更好的抗冲击变形能力。通过合理地设计密度梯度实现逐层压缩吸能,能够有效的提升防护结构的抗冲击性能。     

泡沫铝子弹高速撞击下铝基复合泡沫夹层板的动态响应

应用一级轻气炮驱动泡沫铝弹丸高速撞击加载技术,对实心钢板以及前/后面板为Q235钢板、芯层分别为铝基复合泡沫和普通泡沫铝的夹层板结构,在脉冲载荷作用下的动态力学响应进行实验研究。结果表明:泡沫铝子弹高速撞击靶板可近似模拟爆炸载荷效果;铝基复合泡沫夹层板的变形分为芯层压缩和整体变形两个阶段;与其他靶板相比,铝基复合泡沫夹层板的抗冲击性能最优。基于实验研究,应用LS-DYNA非线性动力有限元软件,对泡沫铝夹层板的动态响应进行数值模拟。结果表明:泡沫铝子弹的长度和初始速度对子弹与夹层板之间的接触作用力影响显著,并且呈线性关系。泡沫芯层强度对等质量及等厚度夹层板的抗冲击性能均有显著影响,夹层板中心挠度对前、后面板的厚度匹配较为敏感,在临界范围内,若背板厚度大于面板厚度,可减小夹层板的最终挠度。夹层板面板宜采用刚度较低、延性好、拉伸破坏应变较大的金属材料。     

球头落锤冲击下金字塔点阵夹芯板结构的动态响应实验

为研究金字塔点阵夹芯板结构在球头落锤碰撞冲击下的抗冲击性能,采用模型实验的方法,加工制作了金字塔点阵4层夹芯板实验模型。通过实验得到了金字塔点阵夹芯板结构在碰撞冲击载荷作用下的坍塌变形过程和变形模式,揭示了点阵结构夹芯层的吸能机理。结果表明,在球头落锤的中等强度冲击载荷下,整个夹芯板结构的最终变形可划分为迎冲面、夹层和背冲面3个区域,形成类似“三明治”式的变形模式。     

编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板在冲击荷载下的动态响应

通过编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板的平头弹冲击实验，分析了结构在不同冲量下的变形失效模式以及结构的抗冲击性能。实验表明复合板的变形失效模式主要表现为:(1)弹性变形；(2)复合板表面嵌入失效及整体塑性大变形；(3)背面纤维拉伸断裂及分层失效。基于实验研究，运用LS-DYNA 971有限元程序对铺层数不同的复合板在冲击载荷作用下的动态响应过程进行了数值模拟，模拟结果与实验吻合较好，子弹作用区域边缘处首先发生近似圆形的嵌入失效，而在板背面发生近似正方形的破坏区域；计算中重点分析了铺层数对结构动力响应的影响，在一定冲量范围内，通过对铺层数的优化，能够有效地减小后面板挠度，提高结构的能量吸收效率，增强结构的抗冲击性能。     

撞击载荷下泡沫铝夹芯梁的塑性动力响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支泡沫铝夹芯梁和等质量实体梁的塑性动力响应。 采用激光测速装置和位移传感器测量了泡沫子弹的撞击速度和后面板中心点的位移-时间曲线,研究了加载 冲量、面板厚度和芯层厚度对夹芯梁抗冲击性能的影响。给出了泡沫铝夹芯梁的变形与失效模式,实验结果 表明结构响应对夹芯结构配置比较敏感,后面板中心点的残余变形与加载冲量、面板厚度呈线性关系。与等 质量实体梁的比较表明,泡沫铝夹芯梁具有更好的抗冲击能力。实验结果对多孔金属夹芯结构的优化设计具 有一定的参考价值。     

爆炸载荷下分层梯度泡沫铝夹芯板的失效模式与抗冲击性能

采用弹道冲击摆系统开展了爆炸载荷下分层梯度泡沫铝夹芯板的变形/失效模式和抗冲击性能实验研究,并配合激光位移传感器得到试件后面板中心点的挠度-时程响应曲线。研究了炸药当量和芯层组合方式对夹芯板试件变形/失效模式和抗冲击性能的影响。实验结果表明,泡沫铝夹芯板的变形/失效模式主要表现为面板的非弹性大变形,芯层压缩变形、芯层拉伸断裂以及芯层剪切失效。在研究爆炸冲量范围内,非梯度芯层夹芯板的抗冲击性能明显优越于所有分层梯度芯层夹芯板。对于分层梯度夹芯板试件,爆炸冲量较小时芯层组合形式对分层梯度芯层夹芯板的抗冲击性能的影响不大,而爆炸冲量较大时,最大相对密度芯层靠近前面板组合形式的分层梯度夹芯板试件抗冲击性能较好。研究结果可为泡沫金属夹芯结构的优化设计提供参考。     

轻质泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能研究

通过实验研究和有限元模拟,重点关注了泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能和能量吸收机理.给出了爆炸载荷下泡沫金属夹芯壳结构的典型动力失效模式,分析了关键几何拓扑参量对其抗爆炸冲击性能的影响规律,模拟了爆炸载荷下夹芯壳结构的整个塑性动力响应过程,讨论了夹芯壳结构各组成部件的能量耗散分配机制.结果表明,夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能可以通过优化承载范围和结构配置而提高;夹芯壳结构的能量吸收能力与其失效机制相关,且泡沫金属芯层的贡献最大.研究结果可为强动载荷服役条件下泡沫金属夹芯复合结构的防护要求及优化设计提供技术支持.     

金属蜂窝夹层结构抗水下爆炸特性

金属蜂窝夹层结构是一种新型的舰船防护结构,在舰船防护领域具有广阔的应用前景,但目前缺乏对其在实际水下爆炸载荷作用下动态响应的研究。为研究金属蜂窝夹层结构在水下爆炸载荷作用下的动态响应及防护性能,设计并制备了背板加筋蜂窝夹层结构样件以及相应的浮箱,在大型露天水池中进行了水下实爆 实验;通过声固耦合算法对结构响应进行模拟,实验结果与模拟结果吻合良好,随后分析了蜂窝夹层板的变形过程及能量吸收特性,量化了载荷参数（冲击因子）及结构参数（前后面板厚度比和芯体相对密度）对结构动态响应的影响;最后,以蜂窝夹层板的面密度和后面板中心点最大变形的无量纲量为目标函数,使用NSGA-Ⅱ遗传算法对结构进行了多目标优化,得到对应的Pareto前沿。结果表明,随着冲击因子的增大,蜂窝夹层板整体变形显著增大,蜂窝芯体始终是主要的吸能构件,但其吸能占比逐渐降低;随着前后面板厚度比或芯体相对密度的增加,蜂窝夹层结构的最大变形呈现先降低后升高的趋势,同时呈现不同的变形模式,芯体相对密度对结构变形的影响更为显著;对蜂窝夹层结构开展多目标优化可有效降低结构的面密度及最大变形,优化结果可为蜂窝夹层结构的设计选型提供参考。     

爆炸荷载作用下方形夹芯板动力学响应与优化设计数值分析

为研究方形蜂窝铝板在爆炸荷载作用下的动力学响应,基于LS-DYNA非线性有限元软件,建立了TNT炸药-前后面板-蜂窝夹芯-空气的三维有限元模型。采用ALE(任意的拉格朗日欧拉)多物质流固耦合算法分析了蜂窝铝板在冲击荷载作用下的变形机理、塑性变形、能量吸收以及结构的优化。数值模拟结果表明:随着面板厚度、核心高度的增加,蜂窝铝板在冲击荷载作用下的塑性变形明显减小,抵抗变形的能力增强;随着爆轰入射角度的增加,结构的破坏程度有所减小,入射角越大这种效果越发明显。对结构给定边长和受冲击面积以及面板厚度配合比、夹芯量纲为一的高度进行了局部的优化分析,为设计优质铝蜂窝板提供参考。     

The dynamic response of composite sandwich beams to transverse impact

The dynamic response of glass fibre–vinylester composite beams is measured by impacting the beams at mid-span with metal foam projectiles. The beams exist in composite monolithic form, and in sandwich configuration with composite face-sheets and a core made from PVC foam or end-grain balsa wood. High-speed photography is used to measure the transient transverse deflection of the beams and to record the dynamic modes of deformation and failure. For both monolithic and sandwich configurations, a flexural wave travels from the impact site towards the supports. Ultimate failure of the monolithic and sandwich beams is by tensile tearing of the faces. The sandwich beams also exhibit cracking of the core, and face-sheet delamination. The dynamic strength of the beams is quantified by the maximum transient transverse deflection at mid-span of the beams as a function of projectile momentum. It is demonstrated that sandwich beams can outperform monolithic beams of equal mass. The trade-off between core strength and core thickness is such that a low density PVC foam core outperforms a higher density PVC foam core. End-grain balsa wood has a superior stiffness and strength to that of PVC foam in compression and in shear. Consequently, sandwich beams with a balsa core outperform beams with a PVC foam core for projectiles of low momentum. The order reverses at high values of projectile momentum: the sandwich beams with a balsa wood core fail prematurely in longitudinal shear by splitting along the grain.     

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.      

电炮加载下芳纶蜂窝夹芯板的动力响应

研究了方形钛-芳纶蜂窝夹芯板在电炮驱动的高速聚酯飞片撞击加载下的动力响应,给出了面板和蜂窝芯层在不同冲击速度下的变形及失效模式。采用VISAR(velocity interferometer system for any reflector)测速技术测量了后面板中心点的速度时程,分析了芳纶蜂窝夹芯板的动态响应过程,讨论了冲击速度对夹芯板动力响应和抗冲击能力的影响。研究结果表明,低波阻抗的芳纶蜂窝破碎行为阻断了应力波向后面板的传播途径,破碎的蜂窝和塑形大变形的前面板吸收了高速冲击的大部分能量,充分发挥了钛合金的高强度和芳纶蜂窝的缓冲吸能特性,提高了夹芯板整体的防护能力。     

撞击载荷下泡沫铝夹层板的动力响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支方形夹层板和等质量实体板的动力响应,分别应用激光测速装置和位移传感器测量了泡沫子弹的撞击速度和后面板中心点的位移历史,给出了夹层板的变形与失效模式,研究了子弹冲量、面板厚度、泡沫芯层厚度及芯层密度对夹层板抗撞击性能的影响。结果表明,后面板中心点挠度最大,周边最小,整体变形为穹形,且伴有花瓣形的变形。参数研究表明,通过增加面板厚度或芯层厚度均能有效控制后面板的挠度,改善夹层板的能量吸收能力,结构响应对子弹冲量和芯层密度比较敏感。实验结果对多孔金属夹层结构的优化设计具有一定的参考价值。 更多还原     

爆炸载荷下双向梯度仿生夹芯圆板的力学行为

基于王莲仿生面内梯度芯层,通过引入面外梯度,设计了一种双向梯度仿生夹芯圆板。在此基础上,运用ABAQUS有限元软件,对不同排列方式的双向梯度夹芯圆板在不同爆炸载荷作用下的响应进行了数值仿真,着重分析了不同仿生夹芯圆板的前后面板挠度、芯层压缩量、变形模式和能量吸收等特性,得到了一种抗爆性能较好的芯层排列方式。结果表明:相较于单一的面外梯度夹芯圆板,合理设计的双向梯度仿生夹芯圆板可以有效降低后面板挠度,并提高芯层的能量吸收。     

Response and Damage Tolerance of Composite Sandwich Structures under Low Velocity Impact

The deformation and failure response of composite sandwich beams and panels under low velocity impact was reviewed and discussed. Sandwich facesheet materials discussed are unidirectional and woven carbon/epoxy, and woven glass/vinylester composite laminates; sandwich core materials investigated include four types of closed cell PVC foams of various densities, and balsa wood. Sandwich beams were tested in an instrumented drop tower system under various energy levels, where load and strain histories and failure modes were recorded for the various types of beams. Peak loads predicted by spring-mass and energy balance models were in satisfactory agreement with experimental measurements. Failure patterns depend strongly on the impact energy levels and core properties. Failure modes observed include core indentation/cracking, facesheet buckling, delamination within the facesheet, and debonding between the facesheet and core. In the case of sandwich panels, it was shown that static and impact loads of the same magnitude produce very similar far-field deformations. The induced damage is localized and is lower for impact loading than for an equivalent static loading. The load history, predicted by a model based on the sinusoidal shape of the impact load pulse, was in agreement with experimental results. A finite element model was implemented to capture the full response of the panel indentation. The investigation of post impact behavior of sandwich structures shows that, although impact damage may not be readily visible, its effects on the residual mechanical properties of the structure can be quite detrimental.