铝合金泡沫金属夹层板自冲铆接头力学性能研究

对AA5052铝合金泡沫金属夹层板进行自冲铆接试验,对接头的可连接性进行探究。通过静力学试验对比各组接头的静力学性能,分析不同种类泡沫金属对自冲铆接头力学性能的影响;用扫描电子显微镜对接头典型断口进行研究,分析其微观失效机理。结果表明:自冲铆技术可以实现泡沫金属夹层板的有效连接,接头具有良好的成形质量;泡沫金属夹层提高了自冲铆接头的静力学性能,其中泡沫镍夹层使AA5052自冲铆接头静失效载荷提高了4.1%;夹层板自冲铆接头失效形式均为铆钉与下板分离,其中泡沫铁镍夹层自冲铆接头下板铆扣断裂区域粘附在铆钉脚底部,为韧性断裂机制;下板内锁区域失效时铆钉与下板发生剧烈刮擦,呈现具有分层现象的片状组织。     

粘接剂对钛合金异质自冲铆接头力学性能的影响

为了研究粘接剂对自冲铆接头性能的影响,分别以TA1-5052和TA1-Q215的单搭自冲铆接头及粘接-自冲铆复合接头为研究对象,采用剖面直观检测法分析接头成形质量,基于静力学试验研究各组接头的静力学性能及失效形式。结果表明:与自冲铆接头相比,复合接头的钉脚张开度和残余底厚值减小;粘接剂对TA1-5052单搭自冲铆接头失效形式无影响,但改变了TA1-Q215单搭自冲铆接头的失效形式;复合接头的静力学性能比自冲铆接头更优;相对于自冲铆接头,TA1-5052复合接头静失效载荷增加了17.5%,能量吸收值增加了13.3%;TA1-Q215复合接头静失效载荷增加了6.8%,能量吸收值增加了25.8%。     

钛合金异质自冲铆接头力学性能及失效机理分析

对钛合金异质单搭及T型自冲铆接头进行拉伸-剪切实验和剥离实验,对比接头的静力学性能,用扫描电子显微镜对接头典型断口进行研究,分析其微观失效机理。结果表明:TA1-Q215接头的最大失效载荷大于相同搭接类型的TA1-AA5052接头;TA1-AA5052单搭接头因下板断裂失效,为韧性断裂特征;TA1-Q215单搭接头上板铆钉孔撕裂处为韧窝形貌,铆钉与下板分离过程中,下板发生塑性变形并与铆钉产生严重刮擦现象;TA1-AA5052T型接头因铆钉与下板分离失效,下板出现明显的撕裂棱;当TA1-Q215T型接头失效形式为铆钉与上板分离时,上板撕裂处为准解理断裂机制;当铆钉与下板分离时下板撕裂处为韧性断裂,铆钉从下板剥离过程中产生刮痕。     

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.      

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。     

非对称结构铝合金波纹夹层板的三点弯曲力学性能研究

针对车辆轻量化问题,通过模压和胶结技术,制作了比现有实心铝合金板减重20%的具有平台结构的铝合金非对称结构波纹夹层板。对三点弯曲加载条件下非对称结构波纹夹层板的破坏模式进行了理论分析,得到了该结构的三点弯曲破坏模式图。通过三点弯曲加载测试,对比分析了实心板材与非对称结构铝合金波纹夹层板的三点弯曲性能,并验证了非对称结构波纹夹层板的破坏模式。研究结果表明,在三点弯曲载荷作用下,非对称结构铝合金波纹夹层板的刚度和强度均显著高于现有的实心板材,厚度为10mm、15mm波纹板的弯曲刚度分别是实心板的4.4倍、8.9倍,二者的弯曲强度分别是实心板的1.4倍以上、2倍以上。     

无铆连接模具参数对异种金属板料接头成形的影响

为了研究无铆连接模具参数对304不锈钢和AL6061板料接头成形的影响,基于DEFORM-2D建立了有限元模型,分析了凹模深度、凹槽深度和凸模直径三个主要模具参数对接头成形的影响.研究结果表明,凹模深度越大,越有利于下板料变形,反之,则有利于上板料变形.当凹模直径一定时,凹槽深度和凸模直径过小不利于形成互锁,而凹槽深度不宜过大,避免出现充不满现象,凸模直径过大导致接头颈厚值过小.通过正交试验发现,对接头成形的影响程度从大到小依次为凸模直径、凹槽深度和凹模深度,确定了最优模具参数,并通过无铆连接实验验证了正交试验的可靠性.此外,通过剪切实验获得了接头最大剪切失效载荷为1.8 kN.     

板厚、温度和速度对单搭接胶接接头强度的影响

为了探讨单搭接胶接接头结构的破坏机理,采用Hopkinson拉杆实验技术,研究了板厚、温度和速度(试样端部的最大速度)对单搭接胶接接头强度的影响。实验结果表明,板越厚、温度越低、速度越大,接头的强度越大。运用有限元方法分析了胶层的应力分布,通过引入剥离应力对试样强度的影响因子,研究发现板越厚、温度越低、速度越大,剥离应力对接头强度的影响越小。     

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     

冲击波与破片对波纹杂交夹层板的联合毁伤数值研究

通过有限元软件LS-DYNA模拟了波纹杂交夹层板在冲击波与破片联合作用下的响应过程,研究了炸药当量、载荷类型和填充方式对波纹杂交夹层板变形与失效模式的影响,并与实体板、间隔板和波纹夹层板的抗联合毁伤性能进行了对比,讨论了波纹杂交夹层板的能量吸收特性。数值计算结果表明:与冲击波单独作用相比,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用对结构造成的毁伤更为严重;当药量较小时,波纹夹层板和波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能优于实体板与间隔板,波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能从全填充、迎爆面填充到背爆面填充逐渐降低;当药量较大时,所有结构均产生破口失效;在能量耗散方面,冲击波单独作用时以波纹芯层吸能为主,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用时以上面板吸能为主。     

内部爆炸薄圆板的变形及有效载荷

为了研究内爆炸薄圆板的失效与作用载荷特性,在双圆筒装置内开展了铝质、钢质薄圆板内爆炸实验,分析了圆板破坏模式及比冲量载荷特性,并基于相同变形下载荷相等原理,得到了钢质圆板极限变形下的有效比冲量及作用时间,提出了该工况下圆板变形的预估模型。结果表明:在内爆炸载荷作用下,薄圆板的夹持边界和几何中心是应力集中区,产生了塑性大变形、拉伸撕裂、剪切断裂3种破坏模式;圆板的比冲量载荷由初始的波浪式增长逐渐转化为线性增长,30～80 g某温压装药使1 mm厚钢质圆板产生极限变形的有效比冲量作用时间在2.26～2.93 ms之间,经验证,圆钢板变形预估模型得到的装药质量与实验装药质量偏差小于13.3%。     

平头弹穿透金属靶板的模式分析

对平头弹穿透金属靶的剪切冲塞和绝热剪切冲塞两种可能穿甲模式进行分析. 对作者先前提出的绝热剪切冲塞失效模型进一步发展,给出在绝热剪切冲塞条件下修正的终点弹道极限和剩余速度. 对相关的平头弹穿甲WeldoxE系列钢靶的试验数据进行分析比较,讨论靶板厚度、靶材强度对终点弹道性能的影响. 更多实验数据证实:在一定靶厚时由于靶板的结构响应导致弹道极限附近存在剩余速度跳跃;随靶厚和靶材强度增加,穿甲模式由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换.      

铝合金压印接头的强度研究

首次提出了用于汽车生产中分瓣模压印连接接头强度和失效形式的预测方法。根据接头静力学测试中的颈部断裂失效和上下板拉脱失效两种失效形式分别建立了压印接头的两个强度预测公式,2pπ2N N NF A R t t()和2p pπt b s F R,公式以接头颈部厚度Nt和镶嵌量Ut为重要的中间变量。强度预测公式表明:对于颈部断裂的压印接头,颈部厚度值tN越大,接头强度越高;对于拉脱失效的压印接头,接头强度取决于颈部厚度tN和镶嵌量tU,两者之和越大,接头强度越高,并且镶嵌量对接头强度的影响与颈部厚度相比更大。对颈部厚度变化范围为0.35mm~0.56mm、镶嵌量变化范围为0.045mm~0.45mm的15种组合接头,根据强度预测公式计算了接头强度,并进行了拉伸-剪切试验。将计算结果与试验结果进行对比,结果表明二者吻合较好,最大接头强度误差为8.9%。这说明本文建立的接头强度预测公式能够准确地预测压印接头拉伸-剪切过程的强度和破坏形式。     

铝合金格栅夹层结构水下抗冲击特性的实验研究

基于非药式水下爆炸冲击波加载技术,对格栅型夹层结构的动态响应及抗冲击防护性能,进行了实验研究。利用高速相机,对夹层板的动态变形情况进行了实时观测,获得了格栅夹层板气背面在水下冲击波作用下的动态响应历程,并结合相同面密度单层板在水下冲击波作用下的抗冲击变形结果,对比分析了铝合金格栅夹层板的抗冲击防护性能,获得了格栅型夹层板的气背面板最大变形量与水下冲击波量纲一冲量间的定量关系。     

平头弹穿透间隙式双层靶的穿甲模式

平头弹贯穿单层金属靶,随着靶厚的增加和弹速的增高,穿甲模式均可能由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换。因此,对于双层或多层靶的穿甲,其不同层的靶板失效模式可能是不同的。本文中对相关的平头弹穿甲Weldox 700E单层及双层间隙式钢靶的实验数据进行分析,讨论其穿甲模式。弹速较高时,贯穿第1层靶发生绝热剪切失效,弹速降低,贯穿第2层靶板发生绝热剪切失效或剪切冲塞失效, 最终失效模式为绝热剪切和剪切冲塞混杂。     

泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究

用实验方法研究了三种不同管壁厚度、两种跨径的泡沫铝合金填充圆管的三点弯曲力学性能,得到了泡沫铝合金填充管结构承载过程中的三种变形模式,即压入、压入弯曲和管壁下缘拉裂破坏。给出了空管和泡沫铝合金填充管的载荷位移曲线,并进行了比较。实验发现泡沫铝合金填充管结构的承载能力随泡沫铝合金密度的增大而增大,但破坏应变则随之减小。结构承载力的相对提高量随着管壁厚度的减小和跨径的增大而增大。此外,分析了泡沫铝合金提高填充管结构承载能力的机理。泡沫铝合金填充使管壁压入量和管截面抗弯刚度的损失显著减小,从而提高了结构的抗弯能力。     

金属损伤复合材料胶接修补结构力学试验研究

为评估金属损伤复合材料胶接修补结构的剩余强度和剩余寿命,进行了含腐蚀和疲劳损伤LY12CZ航空铝合金板碳/环氧复合材料补片胶接修复结构的力学性能试验,分析了在静拉伸和疲劳载荷作用下修补结构的破坏模式、失效机理。试验研究发现:复合材料胶接修补技术有效改善了腐蚀和疲劳损伤这两类损伤区域的受力状况,恢复了其载荷传递路线,其静拉伸失效形式为金属韧性断裂后胶层脱粘的分步渐进式破坏;与含损伤未修补试样相比,胶接修补大幅度提高了试件的剩余强度和剩余寿命恢复率,修补后铝合金试件承载能力增加了约25%,疲劳寿命增加至修补前的约4倍~5倍。     

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.     

防护板尺寸对Whipple防护结构撞击损伤影响的实验研究

通过高速撞击实验,探讨了采用小尺寸防护板的可行性。实验中采用的Whipple结构由尺寸变化的1 mm厚防护板（前板）和尺寸固定的3 mm厚舱壁板（后板）组成,防护板与舱壁板间隔10 cm。防护板为边长分别为8、12、16和20 cm的方形2A12铝合金板,舱壁板为边长为20 cm的方形5A06铝合金板。实验过程中均采用直径为4 mm的铝合金球形弹丸,撞击速度为1.45~1.71 km/s。实验结果表明:Whipple防护结构在舱壁板被击穿的概率大于0.8的条件下和击穿概率为0的条件下的极限速度以及舱壁板临界击穿条件下的速度都与防护板尺寸无关;并且,防护板前后表面击穿孔的直径及击穿孔侧壁的倾斜角也与防护板尺寸无关;但是,在速度相同的条件下随着板尺寸的增大,防护板板面的最大挠度增大,而且,防护板挠曲面的凸凹方向也由单一的凹向变成凸凹方向交替出现;随着速度的增加和板尺寸的增大,防护板最大挠度的增量减小。     

6061-T6铝合金动态拉伸本构关系及失效行为

采用HMH-206高速材料试验机开展了6061-T6铝合金在0.001～100 s-1应变率范围内的静、动态拉伸力学性能实验,分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性,讨论了应变率对6061-T6铝合金流动应力和应变率敏感性指数的影响,并基于实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正。结合缺口试件的实验结果和模拟数据,得到了材料的Johnson-Cook失效模型参数,并对模型的准确性和适用性进行了验证。结果表明,在拉伸载荷作用下,6061-T6铝合金表现出明显的应变硬化特征和应变率敏感性,其流动应力随应变率的升高而提高,修正的Johnson-Cook本构模型可以描述材料的动态塑性流动行为,建立的Johnson-Cook失效模型能够表征材料的断裂失效行为。