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。

     

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。     

多种截面形状薄壁管轴向冲击吸能特性对比研究及优化设计

利用经过台车碰撞试验验证的铝合金薄壁管材料参数对比研究了方形、六边形、八边形和圆形的多种不同截面形状薄壁管在轴向动态冲击下的吸能特性。结合多目标优化算法对吸能特性较好的八边形多胞管进行了参数优化,并提出了一种新的优化设计方案。该方案将多胞管外管、肋板和内管的厚度分别作为优化设计变量,通过与将多胞管取统一厚度作为设计变量的传统方案进行对比发现,采用该方案对八边形多胞管进行优化后明显提高了其在相同压缩力峰值下的能量吸收效率。     

多边形截面薄壁管撕裂卷曲吸能研究

对薄壁管在准静态载荷下的卷曲撕裂进行了理论分析,并采用显示有限元方法进行了数值模拟。通过分析薄壁管的撕裂能、塑性变形能和摩擦能,讨论了冲头的锥形角、壁厚以及边数等因素对结构吸能的影响。     

开孔和闭孔泡沫铝的力学与吸能特性研究

研究泡沫铝的力学与缓冲吸能特性有助于其在武器、航天与航空等领域的广泛应用。通过对开孔和闭孔泡沫铝的实验研究发现:开孔和闭孔泡沫铝的应力-应变曲线都明显呈现出线弹性变形、塑性屈服(平台段)和致密化3个阶段;闭孔泡沫铝较开孔泡沫铝的平台段更加明显;闭孔泡沫铝的吸能效率较开孔泡沫铝的高,比开孔泡沫铝更适合作缓冲元件。     

新型负刚度吸能结构力学特性分析

负刚度结构作为一种具有广泛应用前景的力学超材料, 在吸能、减振及降噪等领域呈现出显著的优势, 但传统负刚度结构较低的比能吸收效率以及多稳态非自主回弹等特征, 严重限制了其工程应用. 为解决该问题, 通过单胞构型设计, 提出了一种新型可自主回弹的三维负刚度结构. 该结构利用串联的负刚度单胞在加载?卸载过程中, 曲梁胞元的自主反弹, 实现结构循环加载和多次重复利用; 通过凹槽深度设计抑制单胞多稳态的出现, 并且通过调整侧壁厚度, 控制曲梁屈曲模态的形式, 从而增大负刚度临界载荷差值, 实现吸能效率的显著提升. 随后为实现在复杂载荷环境下的高吸能, 对结构尺寸进行梯度设计, 提出了一种梯度负刚度结构, 利用有限元方法比较分析梯度负刚度结构与均匀负刚度结构在不同载荷作用下的吸能效果. 研究结果表明, 该梯度结构因微结构尺寸的不同, 具有不同的负刚度临界载荷最大值, 从而使其在不同的冲击载荷环境下, 在实现自主回弹的基础上, 均呈现出较好的吸能效率. 该新型负刚度结构为振动控制和结构重组等工程应用提供了技术支持.      

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。

     

大型飞机货舱地板下部结构吸能特性研究

为了研究大型客机货舱地板下部结构吸能特性,在已开展的3框两跨货舱地板下部结构落重冲击试验基础上,建立了结构的细节有限元模型,开展了坠撞动力学仿真分析。与试验结果对比分析了货舱地板下部结构的变形模式、关键点位移及落重速度变化情况等,并得到了各部件能量吸收情况。研究结果表明：货舱地板下部结构有限元模型总体刚度与试验件基本相同,验证了有限元模型和材料模型的准确性。建立了货舱地板下部结构垂直坠撞工况模型,验证了货舱地板下部结构垂直坠撞与落重冲击工况的等效性。同时建立货舱地板下部结构垂直坠撞俯仰（3°,5°,7°和9°）与滚转（3°,5°,7°和9°）模型,通过变形模式及吸能分析对比,进行了俯仰、滚转对货舱地板下部结构适坠性的影响分析。结果显示,货舱地板下部结构俯仰及滚转对框组件、立柱及横梁变形和吸能有较大的影响。货舱地板下部结构适坠性研究可以为客舱地板下部结构适坠性设计和分析研究提供技术支持。     

正弦负泊松比多孔蜂窝梁平面内三点弯吸能性能实验研究

正弦负泊松比蜂窝梁具有优异的断裂韧性和吸能性能,对其平面内三点弯时的吸能性能进行研究有着重要的应用价值和社会意义。本文对正弦负泊松比蜂窝梁试件进行平面内三点弯曲实验,研究了等质量的一种传统蜂窝梁和三种负泊松比蜂窝梁平面内弯曲的破坏模式和吸能性能,试样通过3D打印采用聚乳酸材料制作而成。研究结果表明:梁的负泊松比、破坏模式和吸能性能均取决于正弦曲线的振幅与周期的比值;负泊松比梁的吸能性能优于传统方孔蜂窝梁,但是随着负泊松比效应的增加,其吸能性能逐渐降低。可通过调控振幅与周期的比值,使梁的吸能性能达到最优,同时保持较大的刚度和承载力。本文的研究可为正弦负泊松比梁在工程实际中的推广应用奠定基础。     

复合圆柱管撞击吸能特性实验研究

本文研究了外部缠有玻璃纤维增强环氧的金属圆柱管（简称为“复合管”）在轴向撞击载荷下的能量吸收特性。总结了复合管撞击渐进破坏压缩历程的瞬时速度、位移、载荷等的变化规律。从破坏模式、压缩速率（与准静态实验比较）、金属材料的性能、复合材料层的厚度、纤维的缠绕角这几个角度研究了复合管的吸能性能的影响因素。     

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。     

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。

     

多孔材料填充薄壁结构吸能的相互作用效应

研究多孔材料填充薄壁结构的相互作用效应产生的机理,并建立了表征模型. 以泡沫 铝填充帽形结构为例,发现压溃的填充物分为致密区、过致密区和未变形区3个区域. 基于 理想可压缩假设建立了填充多孔材料分析模型,获得各区域体积变化和等效应变等关系;结 合薄壁结构超叠缩单元模型,对填充结构各组分的能量吸收进行了拆分. 研究表明,薄壁结 构的吸能略有增加,多孔材料的吸能增加40{\%}左右. 过致密区的形成是相互作用效应的 主要原因.     

轴向冲击载荷下薄壁折纹管的屈曲模态与吸能

在方管的基础上引入折纹结构, 利用几何关系建立折纹管的折角公式。采用LS-DYNA软件研究了6种折纹管在轴向冲击下的屈曲模态与能量吸收性能, 并与方管进行对比分析。结果表明, 折纹管在冲击载荷作用下屈曲变形过程可分为3个阶段, 初始峰值阶段、稳定渐进屈曲阶段和密实化阶段。折角是影响初始峰值载荷和平均载荷的重要因素之一, 折纹结构的引入有效的降低了初始峰值载荷, 减小了冲击力的波动幅度; 折纹管的比吸能低于方管, 但是在特定折角下, 折纹管的压缩力效率和比总体效率高于方管。     

表面纳米化吸能薄壁多胞结构的数值模拟与设计

采用局部表面纳米化技术和数值模拟方法,对金属薄壁多胞结构的吸能问题开展有限元数值分析和优化设计.结果 显示,局部表面纳米化布局可诱导结构的屈曲变形,并能大幅度提高结构的能量吸收.优化结果还发现,在多胞外壁呈交错矩形格状表面纳米化格局和内附加结构呈均布框架式矩形格状表面纳米化布局情况下,结构屈曲变形稳定且吸能效果最优.该研究为吸能结构的设计提供了依据.     

Experimental studies on thin-walled grooved tubes under axial compression

We study experimentally the axial crushing behavior and crashworthiness characteristics of thin-walled steel tubes containing annular grooves. The grooves determine the positions of the folds and control the buckling mode of deformation. In the present work we aim to improve the uniformity of the load-displacement behavior and to predict the energy absorption capacity of the tubes. Grooves are cut circumferentially and alternately inside and outside the tubes at predetermined intervals. Quasi-static axial crushing tests are performed with different groove distances. Photographs are taken during axial buckling and the specimens after crushing are sectioned axially to carry out the measurements. The deformation modes and load-displacement curves are described and energy absorption and mean post-buckling load are determined. The convolutions are achieved by folding in an axisymmetric concertina mode about the circumferential grooves. The results show that the load-displacement curve and energy absorbed by the axial crushing of tubes can be controlled by the introduction of grooves with different distances.     

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。     

非凸截面管与多胞方管轴向冲击能量吸收性能对比研究

研究了非凸薄壁管在轴向冲击下的能量吸收性能,并与方管以及多胞方管进行了比较分析。首先,采用显式非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对比分析了这三类薄壁管在壁厚相同情况下的能量吸收性能。然后,在一定的材料用量限制（相同的质量）、一定的能量吸收量需求以及一定的极限峰值力要求等三种情况,比较了这三类截面薄壁管的冲击能量吸收性能。研究表明,非凸截面管在所研究的四种条件下无论在能量吸收效率还是在载荷一致性方面都远远优于方管。此外,非凸截面薄壁管在能量吸收效率方面也显著优于多胞方管,在载荷一致性方面与多胞方管相比各有优劣。