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.     

多孔材料吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性

多孔材料是一种优异的吸能缓冲材料,但由于其变形模式的非单一性以及动态应力应变曲线的难获取性,其吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性关系还并不完全明朗.论文基于不需要提前作本构假定的波传播法,开展了多孔材料的吸能行为研究.采用多孔材料的细观有限元模型进行Taylor冲击虚拟实验,获取全场质点速度时程曲线,结合Lagrange分析法得到多孔材料的局部应力应变信息,进而探讨了动态吸能性能对材料相对密度和冲击速度的依赖性.研究结果表明多孔材料的吸能行为可依据变形模式分为三个阶段.在冲击模式下,多孔材料单位体积吸能与相对密度成线性增加关系,此时惯性起主导作用;在过渡模式下,惯性的主导作用减弱,单位体积吸能量的增加速率随相对密度的增加而减弱;在准静态模式下,多孔材料只能发生微小的变形,其吸能很少.论文进一步获得了区别于多孔材料准静态应力-应变曲线的动态应力-应变状态曲线,并考察了其与相对密度之间的关系.结果表明:随着相对密度的增加,多孔材料的动态压实应变将变小,而动态塑性平台应力将提高.     

空心微珠/Al复合材料的动态压缩力学性能和吸能特性

利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）系统对空心微珠体积分数为0.4的空心微珠/1199Al复合泡沫在1 700~2 900s^-1应变率范围内的动态压缩力学性能、吸能性能进行了研究,还利用SEM扫描电镜对压缩试件断口进行微观组织分析,与准静态条件下材料的压缩力学性能及压缩变形机制进行了对比。结果表明,空心微珠/1199Al复合泡沫是一种应变率敏感材料,与准静态结果相比,在高应变率下复合材料的流动应力和塑性应变有明显的增大,应变率硬化效应对复合材料的流动应力的影响明显大于应变硬化的影响。复合材料的准静态和动态压缩变形机制存在一定差异,动态载荷作用下,空心微珠/1199Al复合泡沫内部空心微珠的压缩和基体材料的充填同时发生,组分之间具有良好的协调变形能力。

     

多孔材料冲击特性的数值研究

使用物质点方法对多孔材料的冲击响应过程进行模拟研究.重点考察了孔隙度、冲击波强度和空隙平均大小对波后物质状态参量的影响,计算了局域旋度和散度随时间的演化及其涨落. 研究表明,在孔隙度较低时, 波后系统可以达到一个近似动力学平稳态,下游区域的空隙反射回的稀疏波使得物理量随时间轻微振荡.在孔隙度较大时, 波后物质不易被压实, 冲击波的衰减明显.在孔隙度一定的前提下, 更大的平均空隙导致波后系统温度的进一步提高.冲击波的衰减速率依赖于孔隙度、平均空隙大小和冲击波强度.局部湍流和体积耗散是非均匀材料中机械能转化为热能的重要机制;加载的冲击波越强, 材料的多孔特征越显著.压强、密度、温度、粒子速度趋于或远离平衡的节奏并不同步.      

聚酰亚胺多孔含油材料的摩擦磨损性能研究

采用冷压烧结工艺制备含聚α-烯烃润滑油、多元醇酯润滑油及锂基通用润滑脂3种聚酰亚胺(PI)多孔含油材料,研究了PI多孔含油材料的含油性能与耐热性能,考察了不同转速条件下3种PI多孔含油材料的摩擦磨损性能.结果表明:PI多孔含油材料的孔径主要集中于1～0μm范围以内;在摩擦过程中,PI多孔含油材料中的润滑油可以稳定析出并形成润滑膜,从而降低了摩擦系数,其中含聚α-烯烃润滑油PI多孔含油材料的减摩效果最好;在转速较高的条件下,由于PI多孔含油材料中的润滑油缺失,使其摩擦系数迅速上升,并产生大量的摩擦热而导致摩擦表面温度升高,黏着磨损加重,最终导致材料失效.     

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。

     

压电材料反平面裂纹自相似扩展分析

通过对耦合的波动方程和调和方程解耦,用自模拟方法研究了压电材料中反平面裂纹的自相似扩展问题.研究表明: 对反平面问题,介质内的耦合场与裂纹扩展速度有关,在裂纹尖端有r-1/2阶的奇异性; 动态应力强度因子与电位移载荷有关,与静态结论不同; 电位移强度因子与机械载荷无关, 与静态结果的表达形式一致.     

含能材料装药的损伤及力学性能研究进展

研究含能材料的损伤和力学性能对于指导含能材料配方和结构件设计,以及对含能材料进行安全性评估和寿命预测等都具有重要的意义.损伤一方面使含能材料的力学性能劣化,另一方面还影响含能材料的感度、燃烧甚至爆炸性能.本文对含能材料损伤和力学性能的研究现状进行了综述和归纳.对含能材料损伤的产生、实验模拟、主要损伤模式,损伤对含能材料的感度和燃烧性能等的影响,炸药单相材料的性质,影响含能材料力学性能的因素以及损伤本构关系等进行了介绍.对其中的一些关键问题和热点问题进行了分析,并对今后需要开展的工作发表了一些看法.      

泡沫铝缓冲吸能评估及其特性

对泡沫铝缓冲吸能特性的评估方法进行了比较分析 ,明确了吸能效率曲线与理想吸能效率曲线的应用范围 ,为缓冲器的选材与设计提供了依据。同时还对四种密度的泡沫铝在动静态下的缓冲吸能特性进行了评估 ,研究表明 ,泡沫铝是一种优良的吸能材料。     

规则多孔铜基自润滑材料的干摩擦磨损性能

采用液态金属浸渗法制备了以规则多孔铜为基体,纯铅为润滑相的新型自润滑材料,利用MMU-5G高温端面摩擦磨损试验机测试了新型自润滑材料在不同载荷下的摩擦系数与磨损率,并借助SEM、EDS、XRD等表征手段分析了新型自润滑材料试样在不同载荷下的摩擦磨损机理.结果表明:新型自润滑材料的整体摩擦磨损性能优于同等铅含量的铸造铜铅合金;新型自润滑材料在载荷大于200 N时,摩擦系数小于0.08,磨损率仅为铸造铜铅合金的1/10～1/5;增大铅含量,能够进一步降低摩擦系数;随着试验载荷的增加,磨损机制从磨粒磨损转变为塑性变形和粘附作用.     

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.      

负高斯曲率曲面薄壁管吸能特性研究

为设计出具备优良吸能特性的薄壁结构,提出一种新型负高斯曲率曲面圆形横截面薄壁管(negative Gaussian curvature surface circular tube, NGC-C)。利用经验证的有限元分析方法对其进行轴向动态冲击模拟,提取各项性能指标,借助复杂比例评估法(complex proportion assessment, COPRAS)将其与传统薄壁吸能结构进行了综合性能对比。采用拉丁超立方抽样法从设计空间中提取样本点并获取各样本点对应性能响应值,建立代理模型。基于该代理模型,借助改进非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-Ⅱ)对其进行了多目标优化设计。结果表明：NGC-C综合性能优于传统薄壁吸能结构,经优化后比吸能提高了16.47%,有效压溃长度降低了12.40%,质量减少了20.18%。将负高斯曲率曲面形态引入薄壁管构型,能够提高薄壁管的耐撞性和轴向抗变形能力。

     

硬质聚氨酯泡沫塑料的缓冲吸能特性评估

在对泡沫塑料缓冲吸能特性评估的常用方法进行分析后，对四种密度硬质聚氨酯泡沫塑料在各种应变率下的缓冲吸能特性进行了评估，并介绍了本构关系在泡沫材料缓冲吸能特性评估中的应用。     

材料和内边界约束对薄壁圆管轴向压缩吸能特性的影响研究

为了在空间和质量约束条件下得到综合效率最优的能量吸收结构,通过数值方法分析了45#钢、6061-T6铝合金和TC4钛合金三种材料薄壁圆管在轴向压缩下的能量吸收行为,得到了材料、结构参数、内边界约束对薄壁圆管变形模式和能量吸收特性的影响。结果表明:相同厚径比时,延展性好的薄壁圆管发生渐进式压溃,而延展性差的薄壁圆管则发生轴向劈裂和渐进碎裂变形模式;结构的比能量吸收率随厚径比的增大而提高,其中钛合金管的比吸能率最高,但峰值载荷较大;当内径、高度和质量相同时,钛合金管的吸能量分别是铝合金管和钢管的1.1倍和3.1倍。此外,对于渐进压溃模式的薄壁圆管,可通过引入内边界约束改善其能量吸收特性,其比能量吸收率最大可提高13%左右。     

软弱破碎油页岩蠕变特性相似材料实验研究

为研究软弱破碎油页岩巷道蠕变变形特性及变化规律,根据地质力学模型试验相似原理及油页岩岩石物理力学参数,确定以硅胶粉和河砂为骨料,以正十四烷、石膏为胶结剂,通过相似材料配比及相似材料试件基本力学参数、蠕变参数测试,得到骨胶比为1∶0.4、骨料比为5∶5的相似材料,与岩石蠕变力学特性具有一致性,基本满足软弱破碎油页岩蠕变相似模型要求的材料配比。上述结果为开展油页岩地下开采巷道运营期的变形、破坏相似材料模型试验打下了坚实的基础。     

一种自调频动力吸振器及其吸振特性研究

提出了一种通过改变刚度和动态质量来实现自调频的动力吸振器,该吸振器可通过压缩或拉伸弹簧组实现刚度的改变,并可通过更换可调质量块来改变动态质量的大小。根据理论计算和ANSYS Workbench数值仿真研究得出:两个丝杠螺母之间的跨距y与吸振器固有频率f之间具有线性关系;可调质量块M0的变化对吸振器的移频范围具有较大影响。以对平板结构加以谐振激励为例,通过有限元仿真研究了该吸振器的吸振效果,结果表明本文所提出的动力吸振器频带变化范围可以达到77%,吸振效果达到9dB,吸振效果良好。     

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。     

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。     

多孔泡沫牺牲层的动态压溃及缓冲吸能机理研究

本文对强动载荷下多孔泡沫牺牲层的动态压溃行为及缓冲吸能机理进行了研究. 基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L)及刚性-塑性硬化(R-PH)两类多孔泡沫材料本构, 建立了强动载荷下多孔泡沫牺牲层动态响应的理论分析模型, 分析了一维冲击波在多孔泡沫牺牲层中的传播规律; 利用Voronoi方法建立了多孔泡沫牺牲层的二维细观有限元模型, 获得了冲击载荷下多孔泡沫牺牲层的变形模式和动态响应曲线, 讨论了多孔泡沫材料的层间界面效应对多孔泡沫牺牲层缓冲吸能的影响. 研究结果表明, 考虑多孔泡沫材料塑性硬化影响的理论分析模型能够预测入射波在远端的反射及对多孔泡沫牺牲层的二次压缩过程和端部应力增强现象; 相比较存在界面的多孔泡沫牺牲层, 连续设计的多孔泡沫牺牲层可增强其缓冲吸能能力, 但在界面处增加设计刚性面板则能够降低界面胞元不完整对缓冲吸能的影响; 相同冲量载荷下, 端部应力峰值随冲击能量增大而增大, 而端部冲击波的反射可能是端部应力增强的主要诱因.      

不同孔隙率及孔径泡沫铝的力学与吸能特性研究

对三种孔径两种孔隙率共六种泡沫铝试件进行了静态压缩试验,发现对于中孔隙率材料,孔隙率对材料力学性能和吸能性能仍有明显影响:孔隙率越大,其吸能能力越强,但是屈服极限越小.孔径对材料吸能能力也有一定影响.同时,试验中还发现,对于孔隙率为55%的材料,当孔径≤1mm时,泡沫铝材料的孔径对其力学性能及吸能性能影响甚小.