Nanofluidic energy absorption system: A review

基于纳米流控行为设计的新一代能量吸收耗散系统（nanofluidic en-ergy absorption system,NEAS）将会比传统吸能材料具有更高的能量吸收密度,而且还可以重复使用,特别是在小体积应用环境下具有显著的优势.本文从实验和计算模拟两方面综述了目前关于NEAS能量吸收耗散行为的最新研究进展,其中实验研究主要包括准静态压缩和动态压缩测试,计算模拟研究主要是采用基于经验势的分子动力学模拟方法.通过准静态压缩实验,可以测量NEAS模型的载荷–位移关系曲线,从而获得NEAS模型的临界渗透压强,了解卸载后系统是否能够恢复到加载前的状态（即是否可以重复使用）,并通过载荷–位移关系曲线下面积估算NEAS模型的吸能密度;通过动态压缩实验可以测量NEAS模型对脉冲载荷的缓冲保护作用,主要体现为降低脉冲载荷幅值和扩展脉冲宽度.计算模型研究可以明确给出NEAS对外载荷的微观响应,从而可以准确了解NEAS的能量吸收耗散机制以及吸能密度的主要影响因素.本研究可以帮助我们全面了解NEAS的研究进展,为NEAS的设计与优化提供重要指导.     

纳米流控能量吸收耗散系统

基于纳米流控行为设计的新一代能量吸收耗散系统(nanofluidic en-ergy absorption system,NEAS)将会比传统吸能材料具有更高的能量吸收密度,而且还可以重复使用,特别是在小体积应用环境下具有显著的优势.本文从实验和计算模拟两方面综述了目前关于NEAS能量吸收耗散行为的最新研究进展,其中实验研究主要包括准静态压缩和动态压缩测试,计算模拟研究主要是采用基于经验势的分于动力学模拟方法.通过准静态压缩实验,可以测量NEAS模型的载荷–位移关系曲线,从而获得NEAS模型的临界渗透压强,了解卸载后系统是否能够恢复到加载前的状态(即是否可以重复使用),井通过载荷–位移关系曲线下面积估算NEAS模型的吸能密度;通过动态压缩实验可以测量NEAS模型对脉冲载荷的缓冲保护作用,主要体现为降低脉冲载荷幅值和扩展脉冲宽度.计算模型研究可以明确给出NEAS对外载荷的微观响应,从而可以准确了解NEAS的能量吸收耗散机制以及吸能密度的主要影响因素.本研究可以帮助我们全面了解NEAS的研究进展,为NEAS的设计与优化提供重要指导.     

偏心率效应对金属圆柱管轴压性能的影响

用含有偏心率因子的直链塑性铰叠缩模型来分析金属圆柱管轴向压缩能量吸收，根据能量原理推导了瞬时载荷，从而获得压缩过程的载荷-位移曲线．讨论了偏心率对平均压缩载荷和载荷-位移曲线形貌的影响．实验结果与模型分析符合得很好．     

镍单晶薄膜纳米压痕的准连续介质模拟

用准连续介质方法模拟了大规模原子的镍薄膜在纳米压痕下发生初始塑性变形的行为.主要得到了:(1)载荷-位移响应.在载荷位移曲线上除了反应晶体弹性性质的直线外还有数次的载荷突然下降过程.(2)位错形核现象.与载荷-位移曲线上的载荷突然下降相对应的在受压的晶体上发现了位错形核现象,说明载荷的下降是因为位错形核引起的.(3)位错的发射机制.用Peierls-Nabarro位错模型以及能量法分析了位错的发射机制,理论值与计算值吻合较好.(4)几何必需位错密度.用一个简单的模型计算了几何必须位错密度.此外还考虑了边界条件对模拟结果的影响.     

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。     

弧形折纸模式薄壁结构的压缩变形与能量吸收

选用PolyMaxTM 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。     

自相似多孔材料的力学性能与吸能特性

通过对自相似多孔材料的研究,给出了该结构的代表体积单元和相对密度。采用有限元方法对多孔材料面外的准静态压缩以及动态压缩进行数值模拟,分析了其变形模式,提取了应力-应变响应曲线,讨论了相对密度对多孔材料的弹性模量、平台应力、密实应变以及单位质量吸能的影响。研究发现:多孔材料在面外准静态压缩时,弹性模量、平台应力随相对密度的增大而增大,密实应变随相对密度的增大而减小;相对密度主要影响多孔材料的平台应力和弹性模量。多孔材料在面外动态压缩时,在相同的冲击速度下,多孔材料相对密度越大,其单位质量吸收的能量越多。     

粘接多胞管三点弯曲实验与数值研究

基于实验和数值模拟方法,本文研究了一种易制备粘接多胞薄壁结构的弯曲性能,分析了粘接多胞管在横向三点弯曲加载下的变形和能量吸收性能。三点弯曲准静态实验表明：由于粘接的作用,通常情况下粘接多胞管的能量吸收性能高于其基本构成单胞管能量吸收的总和,但在某些情况下粘接可以带来70%的性能提升。借助于LSDYNA,我们计算模拟了三点弯曲实验,计算得到的粘接多胞管变形模式和力-位移曲线与实验结果吻合良好。此外,采用计算模拟方法,我还对三种不同接触条件下的结构响应进行了对比分析,结果表明：如果未出现明显的粘接脱开,则粘接多胞管的吸能特性与完整的多胞结构相当,否则其能量吸收性能会被严重削弱。     

泡沫铝填充金属薄壁圆管的实验和理论研究

利用实验研究与理论分析相结合的方法研究了泡沫铝填充金属薄壁圆管在准静态侧向压缩下的力学响应.基于能量法,建立了泡沫铝填充圆管和金属薄壁圆管在侧向均匀压缩时的瞬时侧向力、平均侧向力和总吸能的理论公式.对泡沫铝填充管与金属薄壁圆管进行了准静态侧向压缩实验,并且将实验结果与理论公式进行了对比,结果表明理论预测值与实验结果吻合较好.基于建立的理论分析模型,研究了管的几何尺寸以及泡沫铝材料的密度对结构的瞬时侧向力、平均侧向力、总吸能和比吸能的影响.结果表明,在准静态侧向压缩下,泡沫铝填充管的总吸能大于对应的金属薄壁圆管;泡沫铝填充管的侧向压缩力和总吸能随管长度、壁厚和直径的增加而增大;当填充材料泡沫铝密度增大时,填充管的总吸能与侧向压缩力均增加.     

吸能包装模型结构的冲击响应

利用空气炮冲击实验对吸能包装结构的跌落过程进行模拟,进行了缩比模型的正撞和30°斜撞实验,针对模型实验进行了数值分析,获得了吸能包装结构模型在撞击过程中的应力分布和塑性变形,并将计算情况与实验结果进行了分析。结果表明:在撞击中吸能包装结构主要通过缓冲木材的塑性变形及外钢壳屈曲产生的塑性铰吸收能量,塑性变形主要集中于撞击端,而远离撞击端未见塑性变形;计算中木材本构参数采用顺纹方向压缩应力应变曲线具有一定的有效性。     

伪弹性TiNi合金圆薄板的准静态力学行为实验研究

采用阴影云纹和应变片方法对伪弹性TiNi合金圆板在固支条件下的准静态力学行为进行了实验研究,得到了载荷位移曲线、全场离面位移和局部应变等数据.载荷位移曲线呈现非线性、滞回耗能和无残余变形的特性,表明试样已经发生马氏体相变.应变测量显示,相变局限于加载中心较小区域,相变区内,环向应变大于径向应变,且拉伸侧应变大于压缩侧的应变.有限元模拟揭示出相变区内两侧表层的相变范围、相变铰区和马氏体相含量的不对称分布规律.     

Kevlar层合板动静态侵彻贯穿特性的实验研究

本文以Kevlar/环氧树脂层合材料为对象,通过动静态侵彻实验,研究层合板的抗贯穿特性。利用MTS810材料试验机进行准静态侵彻实验,根据测得的加载载荷-位移曲线及靶板的破坏模式,分析了靶板的准静态侵彻行为。实验指出,准静态侵彻时层合板的整体弯曲变形是其主要吸能模式,织物铺层板的吸能量要高于无编织铺层板,表现出更好的抗侵彻性。采用7.62mm口径滑膛枪开展了初速为200～700m/s的弹道冲击实验,讨论了不同弹形弹丸侵彻靶板的效果以及不同铺设方式靶板的抗弹性能和破坏模式。通过与准静态侵彻实验结果的对比,发现靶板的抗侵彻性能和破坏模式与侵彻速度有明显关系。动态侵彻时层合板的破坏局域化,破坏模式多样化。弹形对侵彻效果的影响主要体现于接近弹道极限的低速段。     

泡沫铝填充金属薄壁圆管侧向压缩的实验和理论

利用实验研究与理论分析相结合方法研究了泡沫铝填充金属薄壁圆管在准静态侧向压缩下的力学响应。基于能量法,建立了泡沫铝填充圆管和金属薄壁圆管在侧向均匀压缩时的瞬时侧向力、平均侧向力和总吸能的理论公式。对泡沫铝填充管与金属薄壁圆管进行了准静态侧向压缩实验,并且将实验结果与理论公式进行了对比,结果表明理论预测值与实验结果吻合较好。基于建立的理论分析模型,研究了管的几何尺寸以及泡沫铝材料的密度对结构的瞬时侧向力、平均侧向力、总吸能和比吸能的影响。结果表明,在准静态侧向压缩下,泡沫铝填充管的总吸能大于对应的金属薄壁圆管;泡沫铝填充管的侧向压缩力和总吸能随管长度、壁厚和直径的增加而增大;当填充材料泡沫铝密度增大时,填充管的总吸能与侧向压缩力均增加。     

FCC铝纳米压痕的多尺度模拟

采用准连续介质方法模拟面心立方(FCC)铝单晶薄膜在纳米压痕下产生的变形过程.分别用四种不同的压头宽度,得出载荷-位移响应曲线和应变能变化曲线,发现压头宽度越大,晶体产生塑性变形的临界载荷越大;临界载荷的大小和采用能量理论预测的大小基本一致;模拟过程中,观察到位错成核现象,了解到载荷-位移响应曲线的突降是由位错成核现象所引起,四种情况中压头载荷的降幅大致相同;最后分析了模型在原子层次下的变形机理.     

传爆药静态压缩力学性能及损伤特性研究

为研究聚黑-14C（JH-14C）传爆药静态压缩力学性能及损伤特性,开展准静态压缩实验,获得了不同应变率下的应力-应变曲线,建立了描述不同应变率下JH-14C力学行为的非线性本构模型;利用扫描电镜（SEM）对回收试样进行细微形貌观测,获得了准静态压缩JH-14C损伤特性的表征。结果表明:JH-14C压缩强度随应变率的升高而提高;实验与计算结果对照验证了本构模型的有效性;准静态压缩实验中,JH-14C主要损伤模式为脱湿和穿晶断裂。     

2D周期蜂窝结构面内静动态压缩力学行为研究

基于``平板开缝-装配-焊接'工艺制备了以高聚物为基体的Kagome等蜂窝结构,并开展了Kagome, 正三角形和菱形蜂窝结构的面内准静态压缩力学行为实验研究,实验过程中应用CCD图像采集系统和图像相关法对试件进行了全场位移监测. 另外对比传统正六边形蜂窝,采用数值分析技术,模拟了低速冲击下不同蜂窝结构坍塌行为. 实验结果和数值模拟均揭示了在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下,Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于其它3种蜂窝结构,并发现了Kagome蜂窝压缩变形时所特有的局部蜂窝旋转变形. 研究结果表明改变蜂窝形状和周期性排布会对蜂窝结构整体的变形模式以及能量吸收性能产生较大的影响.      

基于水平土拱效应的桩间挡土板土压力计算研究

基于``平板开缝-装配-焊接'工艺制备了以高聚物为基体的Kagome等蜂窝结构,并开展 了Kagome, 正三角形和菱形蜂窝结构的面内准静态压缩力学行为实验研究,实验过程中应用 CCD图像采集系统和图像相关法对试件进行了全场位移监测. 另外对比传统正六边形蜂窝, 采用数值分析技术,模拟了低速冲击下不同蜂窝结构坍塌行为. 实验结果和数值模拟均 揭示了在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下,Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于 其它3种蜂窝结构,并发现了Kagome蜂窝压缩变形时所特有的局部蜂窝旋转变形. 研究结果 表明改变蜂窝形状和周期性排布会对蜂窝结构整体的变形模式以及能量吸收性能产生较大的 影响.     

基于Iwan模型的接合面切向响应建模

针对工程中常见预紧力作用下的搭接接头,研究其在小幅切向位移激励时的切向位移响应问题,为此提出一种新的基于实际表面形貌和材料性能参数的滑移力密度分布函数.应用该分布函数得到搭接接头切向响应本构模型,并获得单位加载周期内的迟滞曲线和能量耗散值, 通过与已出版的实验结果相对比,发现得到的模拟值与实验结果吻合, 证明该模型的合理性.在此基础上利用该分布函数研究了接合面切向位移与切向力、切向接触刚度及能量耗散之间的关系,结果表明: 建立的模型能很好地描述接合面间切向力与切向位移之间的关系,临界滑移力函数开始迅速上升, 到达最大值后迅速收敛到零;切线力与切向位移之间表现出非线性特性, 随着切向位移的增大,切向接触刚度表现出"软化"现象;初始切向刚度与法向载荷、粗糙度参数及塑性指数有关, 对于确定的接触表面,法向力越大, 初始切向刚度越大; 初始切向刚度同样也随着塑性指数的增大而增大.      

基于Iwan模型的接合面切向响应建模

针对工程中常见预紧力作用下的搭接接头,研究其在小幅切向位移激励时的切向位移响应问题,为此提出一种新的基于实际表面形貌和材料性能参数的滑移力密度分布函数.应用该分布函数得到搭接接头切向响应本构模型,并获得单位加载周期内的迟滞曲线和能量耗散值,通过与已出版的实验结果相对比,发现得到的模拟值与实验结果吻合,证明该模型的合理性.在此基础上利用该分布函数研究了接合面切向位移与切向力、切向接触刚度及能量耗散之间的关系,结果表明:建立的模型能很好地描述接合面间切向力与切向位移之间的关系,临界滑移力函数开始迅速上升,到达最大值后迅速收敛到零;切线力与切向位移之间表现出非线性特性,随着切向位移的增大,切向接触刚度表现出"软化"现象;初始切向刚度与法向载荷、粗糙度参数及塑性指数有关,对于确定的接触表面,法向力越大,初始切向刚度越大;初始切向刚度同样也随着塑性指数的增大而增大.     

低应变率下硅铝质泡沫陶瓷复合材料的力学性能研究

以泡沫陶瓷复合材料在防护工程中的应用为背景,利用MTS(Material Test System,材料试验机)对该型材料进行了准静态压缩实验。得到了应变率在10-5~10-3s-1范围内的应力应变曲线,并对实验结果进行了理论分析和数值模拟。研究表明,泡沫陶瓷复合材料的力学性能在准静态一维应力压缩条件下显示出明显的应变率效应,同时其应力应变曲线可用一种经验的脆性材料本构模型进行较好地拟合。而在一维应变压缩条件下,材料的应力应变曲线则显示出明显的三段式特征:弹性段、平台段和密实段,同时材料的吸能幅值随着应变率的增大而增加。