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。     

芳纶/环氧纤维复合材料超高速撞击特性研究

对芳纶/环氧复合材料的超高速撞击特性进行了实验研究,分析了芳纶/环氧复合材料撞击损伤区域的破坏形式和损伤特性,提出了以纱线断裂数目、穿孔体积等作为撞击吸能特性的表征参数,得到了芳纶/环氧纤维复合材料的超高速撞击防护性能和破坏规律,并讨论了撞击过程中的能量转换和传递过程。结果表明:随着厚度增加,芳纶/环氧复合材料超高速撞击防护性能也相应提高,但其防护效率却有所降低。当厚度较薄时,芳纶/环氧复合材料会被超高速弹丸直接贯穿;随着厚度增加,复合材料撞击损伤机理发生改变,复合材料发生层间开裂现象,并对弹丸产生分层破碎效应。     

风机叶片包容性分析

应用有限元方法对丢失的失效风机叶片撞击机匣的非线性瞬态响应进行了数值计算研究,模拟了叶片的包容过程,分析了包容过程中叶片、机匣的变形与能量变化。结果表明:有限元方法能较好的模拟风机叶片丢失后撞击机匣的过程,该型风机机匣对叶片具有包容性。研究结果对于进行风机叶片包容性设计具有重要参考价值。     

基于有限单元柔度法的材料与几何双重非线性空间梁柱单元

从有限单元柔度法的基本思想出发,基于完全拉格朗日格式(TL格式),建立了能考虑材料与几何双重非线性的一般化空间梁柱单元,适用于满足Euler-Bernoulli梁柱二阶分析理论假定的空间杆系结构非线性分析。另外,在梁柱单元截面分析中引入纤维模型,使其适用于解决钢筋混凝土这类复合材料结构的非线性分析问题。对钢筋混凝土双向偏心受压柱试验结果的模拟分析表明,本文所提方法是正确、可靠的,能有效地分析钢筋混凝土框架柱的材料与几何双重非线性问题。     

非晶铁磁纤维复合材料吸波性能的应力可调性实验研究

本文利用非晶铁磁纤维的应力阻抗效应,对基于玻璃包裹非晶铁磁纤维(CoFeNiSiB)的电磁复合材料的吸波性能,采用自由空间透射法进行了一系列实验研究,重点在于探究该电磁复合材料吸波性能的影响因素,特别是外加应力对吸波效果的调谐性研究。实验结果表明,非晶铁磁纤维电磁复合材料的透波率与纤维方向、密度、长度等因素有密切的关系,在电磁复合材料基体刚度较小的情况下,非晶铁磁纤维电磁复合材料的吸波性能具有较明显的应力调谐性。该研究在智能隐身材料、微波无损检测等领域都有着潜在的重大应用价值。     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性数值分析

基于考虑纤维束相互挤压的八边形纤维束截面单胞模型,引入周期性位移边界条件,采用 细观非线性有限元方法,建立了三维四向编织复合材料的渐进损伤拉伸强度模型. 该模型考 虑了增强体纤维束纵向非线性剪切应力-应变关系,采用Hashin型损伤失效准则定义了纤维 束的典型损伤类型,并根据纤维束和纯基体相应损伤类型所造成的材料性能退化,模拟了不 同编织角试件各类损伤产生、扩展及材料最终破坏的整个过程. 模型数值结果与实验数据吻 合较好,证明了该模型的合理有效性. 探讨了组分材料剪切非线性、损伤对材料宏观非线性 本构行为的影响,结果表明：随着编织角增大,纤维束剪切非线性效应和累积损伤对材料非 线性力学行为的影响明显增强.     

碳纤维复合材料动力电池箱体挤压性能研究

通过有限元方法研究碳纤维复合材料箱体挤压性能,以动力电池系统碳纤维复合材料箱体挤压工况为例,基于LS-DYNA仿真有限元应用,重点阐述了碳纤维复合材料有限元仿真材料及夹芯面板铺层设置方法,分析了不同铺层角度对电池包挤压性能的影响。从最大挤压力、平均挤压力水平、能量吸收、比吸能考察碳纤维复合材料箱体电池包挤压性能指标发现,[0°,60°,0°,60°,0°,60°]铺层综合指标占优。有限元仿真技术在碳纤维复合材料上的应用可以有效地指导动力电池碳纤维复合材料箱体性能开发。     

纤维缠绕复合材料压力容器渐进损伤分析

利用大型有限元软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)建立了纤维缠绕复合材料压力容器的有限元模型,该模型真实地反应了复合材料压力容器封头处纤维缠绕层的厚度以及纤维缠绕角度沿子午线不断变化的情况,即充分体现该压力容器结构的真实性.针对建立的有限元模型,对复合材料压力容器在一定内压下的应变进行了分析,将分析的结果与试验结果比较,验证该模型的准确性.在此基础上进行了复合材料压力容器的渐进损伤分析,获得了复合材料压力容器在外载荷逐渐增加的情况下,复合材料缠绕层逐层失效破坏的详细信息,为复合材料压力容器的设计提供一定的依据.     

变角度纤维复合材料环扇形层合板的自由振动分析

与传统的直线纤维增强复合材料相比,变角度纤维复合材料具有更强的可设计性,为改善结构性能提供了更大的可能．鉴于此,本文将研究纤维的变角度铺设对复合材料环扇形层合板的自振频率及振动模态的影响．假设纤维的方向角沿环扇形板的径向线性变化,基于经典的层合板理论,采用微分求积法获得了环扇形层合板自由振动问题的数值解．通过与现有文献及ABAQUS有限元结果的比较验证了本文模型及方法的正确性和收敛性,并详细分析了纤维起始角和终止角的变化对层合板的自振频率及振动模态的影响．研究结果表明：与常刚度层合板相比,变角度纤维复合材料层合板的基频具有更大的调整空间,通过合理选择纤维起始角和终止角可有效提高层合板的基频．研究结果可为该种新型复合材料结构的优化设计提供一定的参考．     

利用结构基因法研究非线性周期性板结构的等效力学性能

非线性周期性板结构是一类在智能复合材料领域具有巨大应用潜力的结构,因其构成材料的非线性特性,以及结构中经常包含增强纤维、肋板和空洞等复杂微结构导致的材料几何非线性,利用常规的有限元方法进行建模和分析较为困难.本文提出了一种结构基因法,通过提取非线性周期性板结构的最小模型单元作为其结构基因,将异质周期性板结构等效为均质板结构,便捷地求解了非线性周期性板结构的微观力学性能和整体等效力学性能.算例表明,结构基因方法可用来分析复杂非线性复合材料结构问题,计算结果精度足够,为复合材料微观力学研究提供了有价值的参考.     

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。     

A novel self-locked energy absorbing system

Metallic thin-walled round tubes are widely used as energy absorption elements. However, lateral splash of the round tubes under impact loadings reduces the energy absorption efficiency and may cause secondary damage. Therefore, it is necessary to assemble and fasten round tubes together by boundary constraints and/or fasteners between tubes, which increases the time and labor cost and affects the mechanical performance of round tubes. In an effort to break through this limitation, a novel self-locked energy-absorbing system has been proposed in this paper. The proposed system is made up of thin-walled tubes with dumbbell-shaped cross section, which are specially designed to interlock with each other and thus provide lateral constraint under impact loadings. Both finite element simulations and impact experiment demonstrated that without boundary constraints or fasteners between tubes, the proposed self-locked energy-absorbing system can still effectively attenuate impact loads while the round tube systems fail to carry load due to the lateral splashing of tubes. Furthermore, the geometric design for a single dumbbell-shaped tube and the stacking arrangement for the system are discussed, and a general guideline on the structural design of the proposed self-locked energy absorbing system is provided.     

Behaviour of thick composite tubes considering of delamination

The present paper deals with plane finite element analysis of thick composite tubes. Thick composite tubes are commonly used in marine industry and in deep-water offshore applications. Two kinds of interlaminar delamination type defect in a thick walled cylinder subjected to external pressure were confronted; an annular or ring like delamination and a strip delamination. Two finite element models were developed to predict the strain energy release rate at the delamination fronts. In these models the effects of the processing history of the composite material in the form of a uniform thermal load were also included to simulate the state of the residual stress in the composite. The considered defects are studied by means of the effect of buckling, investigating the annular and the strip delamination buckling, and the subsequent loss of load carrying capacity of the delaminated region.     

橡胶复合材料结构大变形有限元分析

建立了一个橡胶复合材料结构有限元分析模型。在该模型中 ,考虑了轮胎变形的几何非线性、轮胎与地面和轮胎与轮辋的大变形非线性接触、轮胎材料的非均匀性和物理非线性及橡胶基复合材料的各向异性。此外 ,本文还利用该模型研制的有限元分析软件对全钢丝子午胎的变形轮廓进行了详细的分析。     

引入Sierpinski层级特性的新型薄壁多胞管轴向冲击吸能特性

为提高薄壁结构的吸能能力,基于Sierpinski分形结构提出了一种具有层级特性的新型薄壁管,即Sierpinski层级管（Sierpinski hierarchical tube, SHT）。采用非线性有限元法对SHTs在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了数值分析,并与普通三角形薄壁管在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了对比。结果表明:SHTs的变形模式为轴对称渐进屈曲模式,在薄壁管中引入Sierpinski层级特性后,胞壁弯曲过程的半折叠波长减小,促使压缩过程中形成更多的塑性折叠单元,有利于提高薄壁结构能量吸收能力。进一步基于能量守恒理论和塑性铰理论对SHTs的轴向压缩应力进行理论求解,并通过有限元数值模拟验证其准确性。在相同的相对密度下,一阶、二阶及三阶SHTs的动态压缩应力较普通三角形薄壁管的动态压缩应力提高了85.8%、138.2%和183.8%。将Sierpinski层级特性引入薄壁管的设计中,能够有效提高薄壁管的耐撞性能。     

Geometrical nonlinear analysis of thin-walled composite beams using finite element method based on first order shear deformation theory

Based on a seven-degree-of-freedom shear deformable beam model, a geometrical nonlinear analysis of thin-walled composite beams with arbitrary lay-ups under various types of loads is presented. This model accounts for all the structural coupling coming from both material anisotropy and geometric nonlinearity. The general nonlinear governing equations are derived and solved by means of an incremental Newton–Raphson method. A displacement-based one-dimensional finite element model that accounts for the geometric nonlinearity in the von Kármán sense is developed to solve the problem. Numerical results are obtained for thin-walled composite beam under vertical load to investigate the effects of fiber orientation, geometric nonlinearity, and shear deformation on the axial–flexural–torsional response.     

Axial compression and energy absorption characteristics of high-strength thin-walled cylinders under impact load

Non-linear finite element software LS-DYNA is used to analyze the axial compression behavior and energy absorption of a high-strength thin-walled member under an impact load. To elucidate the effect of dynamic impact on the strain rate, the Cowper-Symonds equation is applied to analyze the plastic state of stress and the onset of dynamic yielding under different strain rates, such that the modeled deformation behavior of the member is consistent with the actual situation. Results for the thin-walled members made of mild steel and dual phase steel are compared. Assuming two different materials with equal sectional areas, an analysis confirms that the energy absorption of high-strength steel thin-walled component is better than the mild steel thin-walled component. Hence, thin-walled tubes made of high-strength steel are investigated using a series of analysis. The relationships between displacement and load, average load and energy absorption properties are obtained.     

复合材料层合板低速冲击响应和损伤分析

通过在有限元软件Abaqus/Explicit中编写用户材料子程序VUMAT,建立了一种基于能量演化的复合材料低速冲击渐进损伤模型．该模型以三维Hashin准则来预测层内损伤的起始,以一种简化的损伤变量来模拟层内损伤的演化,将具有双线性牵引-分离本构的零厚度界面单元插入层间来模拟分层损伤．采用该模型对14.7 J冲击能量下的纤维增强复合材料低速冲击过程进行了仿真分析,计算得到的冲击力-时间曲线、能量-时间曲线和损伤分布与试验结果吻合较好．根据数值模拟结果,分析了纤维、基体和分层损伤的扩展规律,为低速冲击下的复合材料结构设计提供了理论依据．     

受轴向撞击复合材料管的渐进破坏

玻璃—环氧圆柱壳 (管 )的撞击试验表明它的破坏是渐进过程。在低加载速率范围假定圆柱壳与均质圆柱杆具有相同的轴向破坏过程基础上 ,通过建立它们之间的刚度等效关系 ,复合材料圆柱壳的破坏问题简化为一维碰撞问题。根据一维应力波传播的理论 ,提出了圆柱壳受轴向撞击破坏的简化模型 ,分析了这一破坏过程中的能量变化。结果表明本文所提模型能较好地描述圆柱壳受轴向撞击渐进破坏。