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。     

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。     

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      

沉痛悼念许兵先生

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     

Dynamic crushing behavior of honeycomb structures with irregular cell shapes and non-uniform cell wall thickness

Dynamic crushing responses of honeycomb structures having irregular cell shapes and non-uniform cell wall thickness are studied using the Voronoi tessellation technique and the finite element (FE) method. FE models are constructed for such honeycomb structures based on Voronoi diagrams with different degrees of cell shape irregularity and cell wall thickness non-uniformity. The plateau stress, the densification strain energy and the initiation strain are determined using the FE models. Simulation results reveal that the “X” and “V” shaped deformation modes evident in a perfectly ordered honeycomb at low or moderate impact velocities are disrupted as cell shapes become irregular and/or cell wall thickness gets non-uniform. The “I” shaped deformation mode is clearly seen in all honeycomb structures at high impact velocities. Both the plateau stress and the densification strain energy are found to decrease as the degree of cell shape irregularity or the degree of cell wall thickness non-uniformity increases, with the weakening effect induced by the presence of non-uniform cell wall thickness being more significant. When the two types of imperfections co-exist in a honeycomb structure, the interaction between them is seen to exhibit a complicated pattern and to have a nonlinear effect on both the plateau stress and the densification strain energy. It is also found that stress waves propagate faster in a honeycomb structure having irregular cell shapes and slower in a honeycomb structure having non-uniform cell wall thickness than in a perfectly ordered honeycomb. Finally, the strain hardening of the cell wall material is seen to have a strengthening effect on the plateau stress, which is more significant for perfectly ordered honeycombs than for imperfect honeycomb structures.     

具有负泊松比效应蜂窝材料的面内冲击动力学性能

基于显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA,研究了面内冲击作用下具有负泊松比效应蜂窝材料的 动态冲击性能。在保证胞元壁长和壁厚不变的前提下,通过改变胞元扩张角,建立了内凹六边形蜂窝模型。 具体讨论了胞元扩张角和冲击速度对蜂窝材料面内冲击变形和能量吸收能力的影响。研究发现,在冲击载荷 作用下,内凹蜂窝材料的面内冲击性能依赖于胞元扩张角。胞元扩张角的绝对值越大,冲击端的平台应力越 高。随着冲击速度的提高,蜂窝材料表现出更强的能量吸收能力。     

金属多级类蜂窝的压溃行为研究

通过实验和数值模拟方法系统研究了单胞壁开孔金属多级类蜂窝与双胞壁开孔金属多级类蜂窝的压溃行为. 重点分析了试件尺寸、开孔位置、孔偏距和孔梯度等因素对多级类蜂窝力学性能的影响. 结果表明,多级类蜂窝的压溃过程可分为3个阶段:弹性变形、屈曲变形以及密实;单胞壁开孔多级类蜂窝的压溃过程趋向于渐近内凹压溃,而双胞壁开孔多级类蜂窝趋向于轴向压溃;试件尺寸对多级类蜂窝的力学行为有明显的影响,当胞元数达到一定数目时,其力学性能几乎与蜂窝胞元数无关. 单胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力大于双胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力,但其平均压溃应力小于双胞壁开孔多级类蜂窝的平均压溃应力;与传统蜂窝相比,蜂窝胞壁开孔设计降低了蜂窝材料的比吸能;孔偏距的存在导致单胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力降低,但随着孔偏距的增加其平均压溃应力呈先减低后增加趋势;多梯度孔设计对多级类蜂窝材料的力学性能有重要影响,与均匀孔多级类蜂窝相比,正梯度孔分布设计降低了多级类蜂窝峰值应力,但提高了其平均压溃应力;多梯度孔分布设计对多级类蜂窝的峰值应力和平均压溃应力影响不大.      

梯度蜂窝面外动态压缩力学行为与吸能特性研究

蜂窝材料具有优异的抗冲击吸能特性。为进一步提高蜂窝材料的比吸能与压缩力效率,提出了一种几何参数或材料参数沿厚度方向梯度渐变的蜂窝材料模型,并针对六边形蜂窝构型研究了胞元壁厚和屈服强度梯度变化的蜂窝材料在面外动态压缩载荷下的力学行为与吸能特性。研究结果表明,通过调控梯度变化的指数,胞元壁厚或母体材料屈服强度的梯度设计均可有效降低初始峰值应力,并使蜂窝材料的比吸能和压缩力效率同时增大。研究结果可为蜂窝材料的防撞性优化设计提供新的思路。     

胞元微拓扑结构对蜂窝材料面内冲击性能的影响

研究了面内冲击载荷作用下胞元微拓扑结构对蜂窝材料动态冲击性能的影响。首先,在胞元边长、厚度一致的条件下,讨论了不同形状胞元、以及胞元形状相同但排列方式不同的蜂窝材料的动态冲击性能,并给出了试件及其微结构的动态演化过程。在此基础上,讨论了胞元微观排列方式对蜂窝材料的能量吸收能力的影响。计算结果表明,除了胞元基本结构参数（边长、壁厚等）,胞元形状及排布方式也是影响蜂窝材料动态性能的重要因素。由于三角形单胞的稳定性,三角形填充蜂窝材料与四边形填充蜂窝材料相比,表现出更强的能量吸收能力。而交错排布则对应着更加均匀的变形和稳定的平台区。同时,局部拓扑结构的变化,交错排布的试件在冲击压缩的过程中表现出独特的颈缩现象。此结论将为蜂窝材料微结构的动力学优化设计提供指导和依据。     

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。     

曲壁蜂窝夹层板的振动特性研究

曲壁蜂窝具有负刚度特性,可以在大变形过程中吸收能量、抗冲击,并且在冲击过后可以自我恢复而不像传统蜂窝被压溃。本文将曲梁构成的负刚度蜂窝作为芯层,建立夹层板的动力学模型;推导出了曲壁负刚度蜂窝胞元的等效弹性参数,将其周期性排列为蜂窝芯,应用Reddy高阶剪切变形理论、Von-Karman大变形关系和Hamilton原理推导了负刚度蜂窝夹层板的非线性动力学方程;应用Navier法计算了四边简支边界条件下的固有频率。并利用有限元软件ABAQUS建立模型,计算固有频率,与理论计算结果进行比较,结果显示二者的计算结果具有较好的一致性,验证了芯层等效弹性参数及模型的有效性。探讨了在蜂窝胞元具有较高吸能情形下,夹层板在不同芯层厚度、不同芯厚比以及不同胞元曲壁厚度时的固有频率的变化特性。     

分层递变梯度蜂窝材料的面内冲击性能

提出了一种分层递变梯度蜂窝材料模型,以期控制蜂窝材料的能量动态吸收性能.此模型通过改变胞元的半径来改变蜂窝材料的面内特征参数,以实现蜂窝材料面内动力响应特性的多目标优化设计.计算结果表明,此模型可以在减小初始峰值应力水平的前提下,同时实现材料能量吸收过程的控制,并可以有效控制进入被保护结构的应力水平.此模型可为蜂窝材料...     

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.     

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。     

高共面/异面抗冲击承载能力的新型蜂窝设计及吸能评估

针对传统蜂窝共面和异面承载能力差距太大的问题,提出了胞壁弓字形弯折蜂窝、层间组合蜂窝和折叠蜂窝等3种新型蜂窝,建立了新型蜂窝的有限元模型并分析了其变形模式和承载能力。结果表明,在相对密度一致的前提下,与传统正六边形蜂窝相比,这3种新构型蜂窝均缩小了共面和异面方向承载能力的差距。其中胞壁弓字形弯折蜂窝的共面/异面承载比提高了21.3倍;层间组合蜂窝两个共面方向承载能力悬殊,承载能力更强的共面方向与异面的承载比值提高了42倍;折叠蜂窝则提高了21.3倍。研究结果可以为抗多向冲击载荷作用下的蜂窝结构设计提供新思路和参考。     

Mechanical characteristics of composite honeycomb sandwich structures under oblique impact

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) and CFRP-based composite honeycomb sandwich structures are particularly sensitive to impact. The mechanical characteristics of composite honeycomb sandwich structures under oblique impact are studied by numerical simulation and experiment. The oblique impact model is established, and the reliability of the model is verified by the oblique impact test. To further analyze the influence of structural parameters on energy absorption under oblique impact, the influence of impact angle, face sheet thickness and wall thickness of the honeycomb is numerically studied. The results show that the impact angle has an important effect on energy distribution. The structural parameters also have an effect on the peak contact force, contact time, and energy absorption, and the effect is different from normal impact due to the presence of frictional dissipation energy. Compared with normal impact, the debonding of oblique impact will be reduced, but the buckling range of the honeycomb core will be expanded.     

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。     

部分充液多胞元结构的面内动态力学特性研究

为探究部分充液多胞元结构的抗冲击防护性能,结合充液内凹胞元的落锤冲击试验,建立了充液内凹胞元、部分充液内凹多胞元结构的冲击动态特性二维FEM数值分析,计算得到了部分充液内凹多胞元结构的变形破坏模式,讨论了不同冲击速度下部分充液内凹多胞元结构的动力学响应特性。结果表明:在充液胞元破损后,水介质会流入相邻未充液胞元,形成二次鼓胀吸能效应,从而有效提高结构壁面的变形吸能水平;结构中的充液区域和未充液区域的变形破坏模式分别为鼓胀拉伸和屈曲弯折;随着冲击速度的提高,结构的单位体积应变能以及对初始冲击载荷的削弱作用均得到增强。横向充液方式可以等效为变刚度弹簧的串联布置,该方式仅影响结构的局部刚度,纵向充液方式可以等效为多层变刚度弹簧的并联布置,该方式会影响结构的整体刚度;充液区域与未充液区域的等效刚度呈动态变化,结构变形模式由各区域实时的等效刚度决定。当载荷冲击速度较高时,横向和纵向部分充液内凹多胞元结构对初始冲击载荷的削弱能力均优于未充液内凹多胞元结构。     

Dynamic Crushing Strength Analysis of Auxetic Honeycombs

The in-plane dynamic crushing behavior of re-entrant honeycomb is analyzed and compared with the conventional hexagon topology.Detailed deformation modes along two orthogonal directions are examined,where a parametric study of the effect of impact velocity and cell wall aspect ratio is performed.An analytical formula of the dynamic crushing strength is then deduced based on the periodic collapse mechanism of cell structures.Comparisons with the finite element results validate the effectiveness of the proposed analytical method.Numerical results also reveal higher plateau stress of re-entrant honeycomb over conventional hexagon topology,implying better energy absorption properties.The underlying physical understanding of the results is emphasized,where the auxetic effect(negative Poisson's ratio) induced in the re-entrant topology is believed to be responsible for this superior impact resistance.     

曲壁蜂窝夹层悬臂板的振动特性研究

蜂窝结构作为一种多孔材料具有轻质、高强度、高刚度的优点, 兼具隔声降噪、隔热等优良性能, 被广泛应用于交通运输、航空航天等领域. 传统直壁蜂窝在受力后容易出现应力集中的问题, 这将导致蜂窝夹层产生裂纹破坏, 缩短夹层板的使用寿命. 针对此问题本文设计了一种以圆弧曲壁蜂窝作为芯层的蜂窝夹层板, 基于单位载荷法推导了蜂窝芯的等效参数, 建立曲壁蜂窝夹层板的动力学模型, 利用Chebyshev-Ritz方法求解悬臂边界下曲壁蜂窝夹层板的固有频率, 并用有限元方法进行对比验证, 发现前5阶固有频率的误差均在5%以内, 每阶固有频率对应的振型一致. 通过3D打印聚乳酸(PLA)制备了曲壁蜂窝夹层板, 使用万能试验机对PLA拉伸试件进行准静态拉伸测定了打印材料的杨氏模量, 搭建振动试验平台对制备的曲壁蜂窝夹层板进行正弦扫频试验、定频谐波驻留试验和冲击试验. 对比发现3D打印模型振动试验获得的前5阶固有频率与理论模型和有限元模型的计算结果三者一致, 试验发现曲壁蜂窝芯在特定频段内具有一定的抗冲击性能. 研究结果将为曲壁蜂窝在振动和隔振方面的应用提供理论支持.