爆炸载荷作用下具有可折叠芯层夹芯梁的动态响应

基于目前研究最广泛的刚性折纸(Tachi-origami)样式,通过改变其初始折叠角度构建出4种不同的蜂窝胞元,并且通过排列分布将其组成夹芯梁。采用商用有限元软件Abaqus/explicit对准静态和爆炸载荷作用下可折叠芯层夹芯梁的力学响应进行研究,分析可折叠芯层的泊松比变化规律、夹芯梁背板挠度以及能量吸收机理;并将夹芯梁与等质量的实体梁进行对比。采用后面板最大挠度作为抗爆性能的评价,结果发现:可折叠芯层在准静态载荷下具有一定的负泊松比效应;夹芯梁的抗爆性能优于实体梁,曲边蜂窝的初始折角对其作为芯层夹芯梁的抗爆性能有较大影响,随着初始折角的逐渐增大,其抗爆性能逐渐下降;当初始折角为直角时对应于方孔直边蜂窝,其抗爆性能最差。     

蜂窝夹芯剪切等效模量研究

蜂窝夹层轻型结构以其比强度、比刚度高,而在航空航天工程中被广泛采用．由于蜂窝形状、尺寸多样,使夹层结构设计、优化分析变得复杂,特别是蜂窝夹芯的剪切模量难以准确的等效计算．以薄板理论为基础采用有限元方法对单蜂窝分析的方法,获得蜂窝夹芯的剪切等效模量,与其它方法相比较,精度较高,与试验结果吻合较好．     

撞击载荷下泡沫铝夹芯梁的塑性动力响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支泡沫铝夹芯梁和等质量实体梁的塑性动力响应。 采用激光测速装置和位移传感器测量了泡沫子弹的撞击速度和后面板中心点的位移-时间曲线,研究了加载 冲量、面板厚度和芯层厚度对夹芯梁抗冲击性能的影响。给出了泡沫铝夹芯梁的变形与失效模式,实验结果 表明结构响应对夹芯结构配置比较敏感,后面板中心点的残余变形与加载冲量、面板厚度呈线性关系。与等 质量实体梁的比较表明,泡沫铝夹芯梁具有更好的抗冲击能力。实验结果对多孔金属夹芯结构的优化设计具 有一定的参考价值。     

蜂窝夹芯结构冲击损伤后的压缩行为研究

通过试验结合有限元方法,针对蜂窝夹芯结构的无损件和三种冲击损伤件开展了单轴压缩载荷下的失效模式研究,同时考虑了胶层性能与损伤尺寸的影响。研究结果表明：试验和有限元方法得到的损伤模式及起始损伤位置相同;不同冲击损伤位置可导致结构的整体承载能力不同,下降的范围为10%~20%。其中：损伤位于顶面区时承载能力下降最为严重,损伤位于边缘区时承载能力下降最少;面芯界面胶层性能的不同会使结构材料破坏顺序改变,胶层断裂能较低时夹芯结构由蜂窝芯破坏向层间破坏转变;冲击能量不同引起结构损伤程度不同,随着损伤深度的增加,结构破坏的危险位置由中心转向边缘。     

正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度理论分析

论文研究了由正六角形胞元构成的正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度.由于正六角形蜂窝夹芯层受面内载荷作用时在胞元斜壁上引起的弯矩与受面外载荷作用时在胞元斜壁上产生的弯矩有所不同,因此,基于面内变形的正六角形蜂窝夹芯层面内等效弹性参数不能用于计算正六角形蜂窝夹芯层弯曲变形.论文基于正六角形蜂窝夹芯层产生弯曲变形时三胞元壁板连接处转角为零的条件会导致正六角形胞元斜壁产生扭曲变形的事实,提出了一种新的正六角形蜂窝夹芯层理论分析方法.用论文方法计算得到的数值结果与有限元商用软件MSC.Marc计算得到的数值解进行对比,表明论文方法不但有效而且可行.     

内爆炸载荷下梯度泡沫铝夹芯管的动态响应

基于3D-Voronoi技术构建了泡沫铝芯层的三维细观有限元模型,对梯度泡沫铝夹芯管在内爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。分析讨论了夹芯管结构内外管的壁厚、泡沫芯层的相对密度、芯层梯度分布等参数对夹芯管结构的抗爆性能与吸能性能的影响,并与无芯层的双层圆管进行了对比。结果表明：泡沫材料的相对密度可通过改变泡沫胞元大小和胞元壁厚进行调控,利用两种方式构建的夹芯管计算结果一致;保持内、外圆管总质量不变,增大内管壁厚可以有效减小外管的塑性变形,但会影响泡沫芯层的能量耗散;泡沫芯层的填充可以有效降低内管的塑性变形,正梯度泡沫铝夹芯管的抗爆性能优于均匀泡沫及负梯度泡沫夹芯管。

     

新型类蜂窝夹芯面外等效力学性能

作为多孔材料的典型代表,蜂窝夹层结构被广泛应用于航空航天、汽车船舶等重要领域,因此对其力学性能进行研究具有十分重要的工程意义。利用应变能等效原理对一种新型类蜂窝夹芯的面外等效弹性模量和等效剪切模量进行了推导,并利用有限元数值模拟对此理论模型进行了验证。经对比发现,数值模拟结果和理论计算误差控制在10%以内,验证了此新型类蜂窝夹芯面外力学等效模型的可靠性。本文所阐述的内容完善了该新型类蜂窝夹芯在力学性能方面的研究,也为此新型类蜂窝夹层结构在工程实际中的推广和应用提供了理论依据和基础。     

热环境下夹芯梁声振特性的理论与数值研究

针对均匀升温热环境下夹芯梁的声振特性进行了研究。建立了考虑热应力、横向剪切效应、转动惯量影响的夹芯梁振动方程,获得了简支夹芯梁在热环境下振动响应的理论解;通过瑞利积分得到远场声压。结果表明,夹芯梁内存在热应力时,各阶固有频率均下降,速度、辐射声压级、声功率响应曲线均向低频方向漂移,声辐射效率变化不明显。通过与数值仿真结果对比,验证了本文的热预应力夹芯梁声振耦合响应理论分析方法的可行性。此外,本文还分析了不同芯材厚度和弹性模量对夹芯梁声振特性的影响。研究发现,芯层增厚或者软化均会降低整个结构的刚度。     

高速冲击载荷下梯度金属泡沫夹芯梁的动态响应与失效

采用泡沫弹冲击加载实验对梯度金属泡沫夹芯梁结构开展了不同冲击强度下的动态响应和失效研究,分析了由三种不同密度泡沫铝组成的等面密度的五种不同梯度的夹芯结构在夹支边界条件下的抗高速冲击性能,结合三点弯曲实验,研究梯度效应对夹芯结构抗冲击性能的影响。研究表明：密度梯度对结构的失效过程和失效模式有着明显的影响,且夹芯梁结构的初始失效模式对结构整体响应和主要的能量吸收机制起着主导作用;当冲击条件不足以使得均质芯材发生压缩时,均质及负梯度夹芯结构初始失效模式为整体弯曲变形,低强度芯层位于前两层的梯度结构随着冲击强度的变化出现不同程度的局部芯层压缩;当冲击强度较低时,梯度结构通过丰富的局部失效表现出明显优于均质结构的抗冲击变形能力;当冲击强度大于临界值时,均质结构具有更好的抗冲击变形能力。通过合理地设计密度梯度实现逐层压缩吸能,能够有效的提升防护结构的抗冲击性能。     

泡沫金属夹芯梁在重复冲击下的动态响应

为了研究重复冲击载荷作用下泡沫金属夹芯梁的动态响应,采用Abaqus数值仿真软件,基于可压碎泡沫模型（crushable foam）,建立了泡沫金属夹芯梁遭受楔形质量块冲击的有限元模型。通过将仿真获得的夹芯梁上下面板最终挠度与重复冲击实验结果进行对比,验证仿真方法的准确性。在此基础之上,分析了泡沫金属夹芯梁在楔形质量块重复冲击作用下的变形模式、加卸载过程以及能量耗散特性。结果表明,在重复冲击载荷作用下,夹芯梁的变形不断累积,上面板主要出现局部凹陷和整体弯曲,而芯层则是局部压缩,下面板表现为整体弯曲。在重复加卸载过程中,加卸载刚度随着冲击次数的增加而增大。随着冲击次数的增加,上面板和芯层的能量吸收增量不断减小,而下面板的能量吸收增量不断增加,且最终均趋于稳定。泡沫金属夹芯梁的塑性变形能增量不断减小,而回弹系数随着冲击次数逐渐增加,最后趋于稳定值。     

铝面板厚度对Nomex蜂窝夹层结构冲击后弯曲性能影响的试验研究

通过低速冲击试验和四点弯曲试验,研究了铝面板厚度对Nomex蜂窝夹层结构抗冲击能力和剩余强度的影响。结果表明:在冲击荷载作用下,面板发生变形的区域大小随面板厚度增加而变大,当面板厚度大于0.5mm时,变形区域直径趋于稳定;无论试件是否受到过冲击,在弯曲载荷作用下,0.2mm厚面板发生芯格内屈曲失稳,而其他厚度面板均发生格间失稳;对无冲击损伤的结构,0.2mm厚面板弯曲强度显著低于其他厚度面板;对含冲击损伤的结构,0.2mm厚面板的剩余强度百分比最高。     

低速冲击下蜂窝铝板的表面变形检测及其吸能特性研究

铝质蜂窝结构由于其优良的物理和机械性能被广泛地应用于工程结构,因而对其力学性能的研究也成为越来越重要的课题。本文通过摆锤冲击实验,研究了蜂窝铝的动态压缩性能及低速冲击吸能特性。结果表明,在球形摆锤冲击下,蜂窝铝结构具有很好的冲击吸能特性,其变形特征与准静态变形类似。研究中通过高速摄像系统和加速度传感器记录摆锤的加速度衰减过程,通过投影光载波技术获得受冲击蜂窝铝板表面的压缩行为和三维变形形貌。最后利用有限元方法进一步分析了蜂窝铝结构中内部损伤形式等实验中无法观测的现象,并对蜂窝铝结构参数对其吸能行为的影响进行了详细的讨论。     

具有填充材料的金属格栅夹层板在高速冲击下动态响应的数值分析

利用大型非线性有限元程序ABAQUS和LS-DYNA,对具有填充材料的金属格栅结构的冲击问题进行数值模拟.研究了不同的填充材料(金属泡沫和陶瓷)分别填充到不同的格栅构型(波纹型、蜂窝型和加强六边形)夹层板后,各类夹层板受到金属泡沫子弹和不锈钢子弹冲击时变形与能量吸收特性,探讨了夹层板上下面层板、支撑格栅及填充材料等各部分的吸能比率.研究结果表明,泡沫填充夹层板在缓冲吸能方面具有优势,陶瓷填充夹层板则在抵抗冲击穿透方面更具有优势,不同构型的夹层板,性能略有不同.     

分析蜂窝夹芯板脱胶问题的片条合成-能量法

本文提出了分析蜂窝夹芯板脱胶问题的片条合成－能量法。在文献[2]建立的分析模型的基础上，根据分析蜂窝夹芯梁脱胶问题得到的位移模态，用片条合成的方法构造蜂窝夹芯脱胶板的位移模态，然后用最小势能原理进行求解，得到了位移幅值，应力分布和幅值。通过算例对本文方法的适用性和有效性进行了讨论，分析表明本文的结果与文献[2]中双三角级数解法所得的结果吻合的很好。而利用片条合成－能量法，可以得到蜂窝夹芯板脱胶问题的闭合形式解答，便于工程应用。     

冲击载荷下含空孔三点弯曲梁的动态断裂行为

为得到圆孔缺陷对运动裂纹扩展过程的影响规律,采用动态焦散线实验方法进行模型实验,研究了冲击载荷下含空孔三点弯曲梁的动态断裂行为。研究结果表明:空孔对裂纹扩展有极大的阻碍作用,在一定范围内,空孔直径越大,阻碍作用越明显。裂纹扩展到空孔附近时,扩展速度会下降。裂纹在空孔上部再次起裂后,最大扩展速度远远大于裂纹与空孔贯通前的最大扩展速度。裂纹扩展至空孔附近时,裂纹尖端动态应力强度因子KdⅠ和KdⅡ均会下降。裂纹在空孔上部再次起裂后,裂尖的应力强度因子KdⅠ和KdⅡ均大于裂纹与空孔贯通前裂尖的KdⅠ和KdⅡ。在整个扩展过程中,裂纹尖端的动态应力强度因子KdⅡ远小于KdⅠ,说明KdⅠ在裂纹扩展过程中起主要作用。     

蜂窝夹层复合材料老化强度与疲劳性能的试验研究

本文对蜂窝夹层复合材料老化强度和疲劳试验进行了研究。通过对该材料在老化前后的拉伸、压缩、面内剪切机械性能测试,以及在不同应力水平下的疲劳试验,分析试验结果,得出了标准老化环境对试件的拉伸、压缩承载能力影响不大,而蜂窝夹芯的排列方向对面内剪切试件的强度和疲劳寿命将产生一定的影响等一些对实际工程应用的问题有参考价值的结论和看法。本文还就蜂窝夹层复合材料老化强度和疲劳试验中的一些试验方法、试件的破坏形式、试验件的胶接方法进行了探讨。     

用动态焦散线方法研究圆环在冲击载荷作用下的破坏机理

本文用动态焦散线实验方法并结合理论分析,深入地研究了圆环在冲击载荷作用下的破坏问题。考察了试件的几何尺寸和支承材料对破坏模态及破坏过程的影响。用应力波传播的几何理论(rays-theory)分析了应力波在圆环内部的传播过程,着重分析了圆环中应力波聚焦的现象。理论分析和实验结果在破坏时刻和破坏位置上吻合的很好。     

金属蜂窝夹芯板等效弹性模量的实验测试

总结了以往所用的金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量的计算方法。在此基础上提出了金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量的实验测试方案。通过三点弯曲线载荷两端简支板的挠度测试，得到金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量，并与非金属复合材料如玻璃钢材料的等效弹性模量方法进行比较，说明金属蜂窝板的等效弹性模量计算与非金属蜂窝板之间存在较大的差异。证明金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量实验测试方案是有效可行的。     

A Novel Fluid Structure Interaction Experiment to Investigate Deformation of Structural Elements Subjected to Impulsive Loading

This paper presents a novel experimental methodology for the study of dynamic deformation of structures under underwater impulsive loading. The experimental setup simulates fluid–structure interactions (FSI) encountered in various applications of interest. To generate impulsive loading similar to blast, a specially designed flyer plate impact experiment was designed and implemented. The design is based on scaling analysis to achieve a laboratory scale apparatus that can capture essential features in the deformation and failure of large scale naval structures. In the FSI setup, a water chamber made of a steel tube is incorporated into a gas gun apparatus. A scaled structure is fixed at one end of the steel tube and a water piston seals the other end. A flyer plate impacts the water piston and produces an exponentially decaying pressure history in lieu of explosive detonation. The pressure induced by the flyer plate propagates and imposes an impulse to the structure (panel specimen), which response elicits bubble formation and water cavitations. Calibration experiments and numerical simulations proved the experimental setup to be functional. A 304 stainless steel monolithic plate was tested and analyzed to assess its dynamic deformation behavior under impulsive loading. The experimental diagnostic included measurements of flyer impact velocity, pressure wave history in the water, and full deformation fields by means of shadow moiré and high speed photography.     

基于动态光弹性方法的冲击载荷作用下自由边界主应力研究

当物体在冲击载荷作用下,物体内部会产生应力波,研究应力波的传播过程及规律对研究物体受冲击载荷作用具有重大的意义.应力波在物体内传播时,在自由边界处产生的主应力状态对于理论求解和计算有着重要意义.采用动态光弹性方法,结合新型动光弹系统及相关实验设备采集物体在冲击载荷作用下的等倾线和等差线条纹图,通过分析等倾线的条纹,得出等倾线与自由边界相交所成角度不为0°或909,得出在物体自由边界处两个主应力均存在且不为零的结论.针对上述结果,采用电测方法进行验证,两试验结果相符合,方案可行且准确.