缺陷对金属蜂窝材料面内冲击性能的影响

 利用显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA,数值研究了缺陷（胞元缺失）的分布位置及其尺寸对金属蜂窝材料面内冲击性能的影响。考虑到理想六边形蜂窝材料在不同冲击速度下的变形特征,将试件划分成9个子区域,讨论了缺陷集中位置、缺陷尺寸和冲击速度对蜂窝材料面内冲击变形模式和能量吸收性能的影响。研究发现,蜂窝材料的面内冲击性能依赖于缺陷的分布位置和缺陷尺寸,且在中低速时表现出较高的敏感性,但冲击速度的增加将弱化缺陷分布不均匀性的影响。由于缺陷的存在,蜂窝材料的能量吸收能力明显降低,但与缺陷分布位置相比,蜂窝材料单位体积所吸收的能量更敏感于缺陷尺寸。研究结果将为多胞材料的安全性评估及能量吸收设计提供理论指导和依据。     

内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应

利用有限元模拟方法研究了内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应。用节点扰动方法建立了具有不同规则度的内凹负泊松比蜂窝结构,并将其在不同冲击速度下的变形模态、应力-应变曲线和能量耗散能力与规则蜂窝进行了对比分析。结果表明,冲击速度是内凹蜂窝结构变形模态最主要的影响因素。此外,在双轴冲击下,由于不规则度的引入,延长了应力-应变曲线的平台阶段,抑制了结构的各向异性程度,从而使结构的变形特征从局部密实转向整体密实。在能量吸收能力方面,结构的不规则性导致了密实化阶段的滞后,因此在相同的压缩程度下,其塑性耗散能低于规则模型。     

二阶层级自相似四边形蜂窝动力压缩行为数值模拟

运用ABAQUS对在冲击载荷作用下二阶自相似四边形蜂窝面外方向的动态压缩行为进行了数值模拟,分析了其在冲击载荷作用下的动态压缩过程,并对孔径尺寸、冲击速度和基体材料屈服强度对其压缩模式及应力-应变关系的影响进行了研究。数值模拟表明:孔径较小的二阶自相似四边形层级蜂窝在冲击载荷作用下更易出现整体坍塌的压缩失效模式;随着基体材料屈服强度增大,平台应力值随之增加,但对平台长度没有影响;随着冲击速度的增加,冲击端平台应力值和平台长度都有所增加。     

面内冲击荷载下半凹角蜂窝的抗冲击特性

半凹角蜂窝结构因其零泊松比特征,具有独特的变形方式。将其与传统正泊松比(正六边形)蜂窝以及负泊松比(凹角)蜂窝在面内冲击荷载作用下的抗冲击性能进行对比分析,揭示出零泊松比效应对动力学性能的影响。在给定胞元几何参数(长细比)的情况下,分析了3种蜂窝构型在不同冲击速度下的变形特征,得出半凹角蜂窝的零泊松比特性使结构的局部变形带以"Ⅰ"型为主。根据一维冲击波理论,推导出半凹角蜂窝的平均抗压强度理论公式,与有限元结果进行对比,验证了该方法的有效性。数值结果表明,半凹角蜂窝的抗冲击性能介于正六边形蜂窝和凹角蜂窝之间。通过在半凹角蜂窝内部增加直杆,设计出一种新型零泊松比蜂窝,进一步提高了蜂窝结构的抗冲击性能,可为其他结构优化设计提供一定的理论参考。     

Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻数值模拟

结合金属/复合材料层合结构的抗侵彻能力,基于混合蜂窝结构低成本、高韧性以及在低速冲击下吸能的特点,设计了一种Al/CFRP(carbon fiber reinforced plastics)/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构,旨在利用各层结构特点,逐步降低弹体速度,高效吸收弹体动能,以达到防护效果。为探究Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的损伤演化规律及吸能特性,开展了Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的数值分析,探讨了冲击能量对多层结构抗侵彻性能的影响。结果表明：与Al/CFRP复合结构相比,引入混合蜂窝铝后,结构给予弹体的反作用力增大,在能量不变的情况下,弹体作用板的时间变短。在Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻过程中,Al板和CFRP芯层主要抵抗侵彻以降低弹体速度,混合蜂窝铝主要是吸能。在40 J的冲击能量下,结构总吸能为36.79 J,比吸能为0.217 J/g,蜂窝铝芯层吸能占主要部分,吸能比率为30.3%;随着冲击能量的增大,蜂窝铝芯层的吸能比率增至56.2%,即冲击能量较大时蜂窝铝芯层的吸能效果更好。     

3D打印梯度Gyroid结构的动态冲击响应

利用ANSYS/LS-DYNA对均匀及梯度Gyroid结构进行准静态与动态压缩数值模拟,分析其应力分布、变形模式、承载能力以及吸能特性。对3D打印的316L不锈钢试样实施了单轴拉伸实验,获取了相应的材料参数,建立了Gyroid结构有限元模型,进而对其动态力学响应进行了数值仿真。结果表明:均匀结构呈现出较均匀的变形模式,梯度结构为低密度端向高密度端传播的逐层变形模式;两种结构均呈现明显的应变率敏感性,且负梯度结构的应变率敏感性最明显;在相同的加载速度下,负梯度结构的吸能效率最高,且具有最低的支撑端应力,是最佳的防护结构。研究结果可为冲击载荷下防护结构的设计选型提供参考。     

内旋层级类蜂窝结构的面外力学性能

结合几何学的胞元设计思路，提出了一种新型多胞结构—内旋层级类蜂窝（intorsion hierarchical honeycomb-like,IHH）结构，通过数值模拟方法对其面外力学性能和变形特征进行深入研究，并与普通蜂窝结构、填充圆管的蜂窝结构进行了比较。研究发现，采用内旋层级设计的多胞结构，其胞元内部产生了独特的约束效果，在多层级设计条件下，可以进一步加强这种约束效果，从而提高结构的力学性能。此外，通过开展参数化研究，以揭示相对密度变化对结构性能的影响；基于简化超级折叠单元理论，建立了内旋层级类蜂窝结构的理论模型。结果表明，内旋层级类蜂窝结构在渐进式折叠变形模式下表现出最佳的吸能效率，理论模型能够有效地预测内旋层级类蜂窝结构的平台应力。研究结果可为多胞结构性能优化设计提供指导。     

双应力平台星形结构的设计与力学性能

为实现多孔格栅类结构平台应力和能量吸收的可调控,提出了一种双应力平台星形结构的设计方法,设计并制备了3种双应力平台星形结构。采用实验、理论分析与数值模拟相结合的方法研究了结构在面内压缩载荷下的力学行为和能量吸收性能。结果表明,双应力平台星形结构的载荷-位移曲线呈现两个明显的平台阶段,结构的几何参数和肋板数对结构变形的稳定性以及平台应力的大小存在显著影响。平台应力的理论预测结果与实验、数值模拟结果吻合较好。通过调整相应的设计参数,能够有效地调控结构在压缩过程中的平台应力和能量吸收能力。为了进一步提高双应力平台星形结构的能量吸收性能,以结构的质量和比吸能为设计变量,进行了多目标优化。采用基于径向基耦合多项式函数代理模型和遗传算法（NSGA-Ⅱ）,使结构比吸能最大化的同时质量最小化。与最初设计的结构相比,优化后结构的质量减小了6.0%,比吸能提高了21.5%。     

惯性对多孔金属材料动态力学行为的影响

 对泡沫金属材料的力学性能已经进行了十分广泛的研究,但在对泡沫金属的应变率效应和惯性效应的研究中,尚存在一些矛盾的结论。为进一步认清惯性在多孔金属动态响应中的作用,用有限元计算方法模拟了二维Voronoi蜂窝的动态压缩行为,得到了不同速度下Voronoi蜂窝的3种变形模式。通过改变基体材料的密度和冲击速度进行“数值实验”,得到了相应“试件”的由冲击面和支撑面得到的宏观平均应力应变曲线和平台应力。根据数值模拟的结果,着重分析了惯性效应的影响。研究发现,惯性并不影响蜂窝的应力应变曲线,但它导致试件中宏观变形不均匀,是平台应力提高的主要原因。     

新型仿生蜂窝结构的设计与耐撞性能分析

受自然界毛竹微观结构的启发,在传统圆管与六边形管的基础上引入内管及双菱形肋骨,通过拓扑衍生方法设计了两种新型仿生蜂窝结构。在此基础上利用有限元软件ABAQUS对新型仿生蜂窝的耐撞性进行数值模拟,研究了蜂窝单胞构型、蜂窝壁厚、双菱形肋骨夹角对仿生蜂窝耐撞性能的影响。此外,基于超折叠单元理论,建立了仿生蜂窝结构的理论分析模型。结果表明:仿生蜂窝的面外压缩耐撞性能优于传统圆形蜂窝和传统六边形蜂窝。新型仿生六边形蜂窝的比吸能相比传统六边形蜂窝提高51.18%,压缩力效率提高53.14%。仿生蜂窝结构的平均压缩力理论预测结果与数值模拟结果吻合,两者间的误差均在10%以内。单胞构型为六边形的仿生蜂窝的耐撞性能优于圆形仿生蜂窝。适当增加仿生蜂窝壁厚或增大双菱形肋骨夹角,均有利于提高结构的耐撞性能。     

梯度泡沫铝的各向异性压溃力学行为

功能梯度泡沫金属因其密度连续变化,在轴向受压时可提供稳定增长的反馈载荷。然而当前研究多局限于其纵向压缩力学响应,考虑到实际应用中可能出现的横向冲击,基于低速冲击实验,考察梯度泡沫铝轴向和横向压缩力学响应的异同,并采用数字图像相关技术和数值模拟方法研究其宏细观压溃机制。结果表明:(1)在力学性能上,相比于纵向压缩加载的梯度泡沫铝,横向压缩加载下具有更高的抗压强度,而平台应力、致密化应变和能量吸收效果低于纵向压缩;(2)在失效变形模式上,纵向压缩变形模式为变形带渐进式压缩,而横向压缩变形模式的变形带则随机出现在试样的各个位置;(3)横向压缩下梯度泡沫铝致密化应变和比吸能的减小是由高孔隙率区的胞孔利用率降低导致的;(4)构建的弹性-塑性硬化-刚性模型能够较准确地描述梯度泡沫铝的纵向压缩力学行为。研究结果可为梯度泡沫金属在爆炸冲击结构防护工程中的设计提供理论参考。     

基于Lagrangian分析法的梯度泡沫金属动态力学行为研究

采用Lagrangian分析法,对梯度泡沫金属在高速冲击下的变形机理和应力响应进行研究。基于3D-Voronoi技术,构建了5种不同密度梯度的泡沫金属细观有限元模型,并进行了高速冲击下的Taylor数值实验,得到不同密度梯度泡沫金属的质点速度分布规律。采用Lagrangian分析法并结合数值实验结果,研究了高速冲击下密度梯度参数对泡沫金属的局部应变分布、应力分布以及冲击波传播与衰减规律的影响。结果表明:负密度梯度泡沫金属比正密度梯度泡沫金属具有更强的抵抗变形能力,且密度梯度参数越小,变形程度越小;负密度梯度泡沫金属的局部压实应力呈线性减小,最大局部压实应力随着密度梯度参数的减小而增大,在冲击端附近可以承受更大的载荷;正密度梯度泡沫金属的局部压实应力分布呈平台状,其最大局部压实应力小于负密度梯度泡沫金属。     

类向日葵夹芯圆柱壳径向冲击数值模拟

金属薄壁结构由于其优异的轻质性和耐撞性,一直被广泛地应用在汽车、飞机和火车等交通工具的碰撞动能耗散系统中。以一种类向日葵薄壁夹芯吸能结构为研究对象,研究了在瓣尖压和瓣间压两种径向冲击载荷下,类向日葵薄壁夹芯结构的变形模式、能量吸收能力、比吸能和平均压缩力。结果表明,类向日葵薄壁夹芯结构的壁厚、花瓣数、加载速度以及加载方向都会对结构的耐撞性产生一定的影响。在质量恒定条件下,随着外壳厚度的增加,瓣尖压冲击方式下薄壁结构的吸能效率降低,瓣间压比瓣尖压的比吸能最高多出了44.6%。随着花瓣数的变化,金属薄壁结构的吸能效率存在一个最优值。     

碳纤维增强复合材料层合板的抗冲击性能

为了研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合梁的抗冲击性能,应用金属泡沫弹撞击加载的方式,结合高速摄像机,对等厚度层合梁结构的动态响应和失效行为展开实验研究。研究不同冲击加载强度对层合梁的动态失效过程、变形轮廓、中点变形、失效模式及能量耗散比的影响。结果表明:随着冲击强度的增加,中点变形响应速度随之增加,层合梁变形模式由整体变形转变为局部变形,且局部化效应随之增加,并伴随严重的基体和纤维断裂失效。层合梁能量耗散比随冲击强度的增加而增加,并展现出与结构失效模式直接关联的弹性变形、中心断裂和完全失效3个不同阶段。     

DP980与DP780双相钢帽型梁轴向冲击实验对比

作为汽车及航空工业中主要承载和碰撞吸能部件,帽型薄壁梁可通过自身结构塑性变形实现被动吸能。因此,研究帽型薄壁梁结构在冲击载荷作用下的变形模式和吸能特性对其被动安全设计具有重要的意义。分别对DP980和DP780双相钢帽型薄壁梁结构开展了落锤轴向冲击实验,并对其变形位移、峰值载荷、变形模态和能量吸收能力进行分析。研究结果表明:无论是DP980还是DP780帽型梁试件,在受到冲击载荷作用时,均从试件上部发生塑性屈曲变形并形成褶皱,其下部则无明显变形;DP980帽型梁冲击变形更小,残余高度更高,宜作为抗冲击变形防护结构;DP780帽型梁最终屈曲变形产生褶皱更多,冲击载荷作用时间增加,峰值载荷更低,宜作为抗冲击载荷防护结构。综合考虑吸能效果, DP980帽型梁的能量吸收能力与DP780帽型梁相近,研究结果为冲击防护结构的选材提供依据。     

金属蜂窝夹芯结构抗水下冲击性能

为揭示高强度水下爆炸冲击载荷作用下金属夹芯结构的抗冲击性能,在实验室开展小尺寸水下爆炸加载技术对金属蜂窝夹芯结构性能影响的实验研究。基于实验结果,开展了全尺寸数值模拟金属蜂窝夹芯结构在水下冲击载荷作用下的动态响应和抗冲击性能研究。结果表明,数值模拟、实验和理论模型计算的结果具有良好的一致性。由于蜂窝芯材相对密度对夹芯结构能量耗散方式和载荷传递机制的影响,结构动态响应、失效模式以及抗冲击性能随着冲击强度的变化表现出较为明显的不同。通过抗冲击参数分析,建立了反映金属蜂窝夹芯结构抗冲击性能的结构横向变形、固支反力、透射脉冲和塑性能耗随冲击强度和芯材相对密度变化的结构-载荷-性能量化关系。     

铜粉末动态压缩行为的多颗粒有限元分析

颗粒金属材料的宏观力学性能与其细观特性密切相关,金属粉末的冲击压缩问题有待深入研究。选用实验结果较为丰富的铜粉末作为研究对象,基于多颗粒有限元法建立了颗粒金属材料的二维数值分析模型,研究了铜粉末在冲击压缩下的力学行为。数值计算结果表明,在较高速度冲击下颗粒金属材料呈现出高度局部化的变形带,变形带如同冲击波一样从冲击端向支撑端传播。利用速度场计算方法,计算得到了塑性冲击波波阵面的位置,进而获得了不同孔隙率(0.25～0.60)铜粉末的粒子速度与冲击波波速之间的Hugoniot关系,其在较高冲击速度(200～300 m/s)下与实验结果吻合较好。发展了以动态锁定应变为唯一参数的冲击波模型,较好地表征了铜粉末在较高速度冲击下的Hugoniot关系和波后应力。     

落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的数值模拟

钢筋混凝土在动态冲击下表现出与静态加载不同的结构响应,且破坏模式更为复杂。在钢筋三折线本构模型中引入应变率效应,利用ABAQUS显式动力分析模块,对钢筋混凝土梁在不同高度冲击下的结构响应进行了数值模拟。得到的冲击力和跨中挠度时程曲线与实验结果吻合较好,验证了模型的有效性。基于该模型,研究了配筋率分别为2.56%、2.66%和2.76%时,钢筋混凝土梁在不同冲击速度下的结构响应。结果表明:增大配筋率能够提高梁的承载能力;随冲击速度的增大,配筋率对梁抗变形能力的增强效果逐渐减弱;当冲击速度为4.85m/s时,配筋率对梁破坏模式的影响微弱;当冲击速度大于4.85m/s时,随配筋率的减小,破坏模式由剪切破坏转变为弯曲破坏。     

单壁碳纳米管拉伸变形的原子尺度模拟

采用分子动力学方法对单壁碳纳米管的拉伸变形行为进行了模拟,结果表明,碳纳米管具有较高的断裂应变.在结构产生缺陷之前,碳纳米管表现出弹性变形的特征.通过对能量变化的分析可以看出,能量分布的不均匀是导致结构失稳产生缺陷的主要因素.通过对含初始结构缺陷的碳纳米管在拉伸变形过程中的构型变化进行分析,发现在缺陷附近原来相邻的两个六边形蜂窝结构,随着拉伸变形的发展转变成5 7结构(Stone Wales转变),能量产生突变,应变能的释放使系统能量降低.分析也表明,较少数目的初始缺陷对碳纳米管的力学性质并不会有太大影响.     

行波和驻波模式下热声振荡的临界温度梯度

热声机械作为一种能量转化装置。其效率于传统发动机还有较大差距。本文讨论了热声发动机在驻波和行波两种不同工作状态下,其声功率产生的临界温度梯度与流道尺寸和工作介质的关系,得出了两种模式下最佳的工作条件。结果表明;采用行波形式的热声发动机结构,可以有效降低临界温度梯度,提高热致声的效率,同时可以利用一些低品位来做为热声发动机的高温端。