仿生BCC结构的准静态压缩数值模拟及吸能性

晶格点阵结构因具有质量轻、吸能性好等优点,被广泛应用于航空、航天、军工等领域。研究了仿生体心立方(BCC)结构的吸能性,并探讨了截面形貌对BCC晶格结构吸能性的影响。基于毛竹的宏观结构和细观结构,设计了3种不同的BCC仿竹晶格点阵结构,对3种结构及原始BCC晶格结构进行了轴向准静态压缩数值模拟。结果表明:静载下仿竹BCC结构的吸能性和比吸能均比原始BCC结构提高了25%以上,但3种仿竹BCC结构的吸能性、比吸能相差不大;仿竹BCC结构的相对密度对其吸能性和比吸能的影响较大;在压缩过程中,仿生结构的韧性截面有效保证了塌陷稳定性,这是该结构吸能稳定的重要原因。     

具有梯度型刚度折叠收缩管的吸能性能

薄壁管是一种常见的吸能结构,在薄壁管中引入折纹可以诱导薄壁管发生变形,有效降低薄壁管屈曲的初始峰值力并提高其能量吸收。目前,大部分折纹管受到轴向压缩时,初始峰值力后的压溃力下降显著,降低了折纹管的吸能性能。为有效提高折纹管的吸能性能,并降低折纹管的初始峰值力,在方管中引入不同形式的折纹得到折叠收缩管,利用ABAQUS/Explicit模拟设计折叠收缩管的准静态压缩,得到其变形及力与位移曲线。结果显示,与传统方管和菱形折纹管相比,折叠收缩管的初始峰值力显著降低,且压溃力随着压缩距离的增加呈梯度上升趋势,大幅提升了薄壁管的能量吸收性能。另外,系统研究了折叠收缩管的几何参数对其性能的影响,获得了性能优异的折纹管。     

星形混合多胞管在多种冲击角度下的耐撞性评估

基于混合截面的设计思路,针对星形混合多胞管（star-shaped hybrid multi-cell tube,SHMT）提出了10种截面设计方案。通过数值模拟的方式,深入分析了SHMT在多种冲击角度下的耐撞性。研究发现,混合截面的连接方式以及多边形边数均对星形混合多胞管的吸能性能产生重要影响。在轴向冲击下,采用顶点连接的SHMT(SHMT-V）对于多边形边数的变化较为敏感,八边形SHMT-V(SHMT-V8）的比吸能高达24.31 J/g,相比于四边形SHMT-V(SHMT-V4）提高了71.86%;采用中点连接的SHMT(SHMT-M）拥有更强的力学响应,其碰撞力性能比SHMT-V高30%以上。在斜向冲击下,SHMT的承载能力随着冲击角度的增加而减小,截面不同的SHMT的耐撞性能表现出较大的不确定性。采用优劣解距离法对SHMT的综合耐撞性进行了评估。结果表明,八边形SHMT-M(SHMT-M8）是最优的截面设计方案。研究成果可为薄壁结构的实际应用与耐撞性优化设计提供指导。     

基于增材制造空心点阵结构的压缩变形研究

点阵结构具有质量轻、承压性能好、比刚度大等特点,广泛应用于轻量化部件与承压结构。采用选区激光熔覆技术制备了316L不锈钢空心点阵结构,通过准静态压缩实验和有限元数值模拟,研究了含不同尺寸空心微柱的点阵结构在压缩变形时的失效和变形模式及其成因。结果表明:316L不锈钢材料的空心管状结构在点阵压缩过程中无明显压溃失稳,其结构失效模式是由节点失效诱发微柱变形,进而造成整体失效;结构的变形模式为整体均匀变形,但是当壁厚和外径较小时,边界层将因刚度不足而率先变形;增大空心微柱尺寸可使结构刚度增大。     

FeS2多晶薄膜电子结构的实验研究

用磁控溅射方法制各纯Fe薄膜,并硫化合成FeS2.采用同步辐射X射线近边吸收谱与X射线光电子能谱研究了薄膜的电子结构.结果表明,合成的FeS2薄膜,在费米能级附近,有较强的Fe 3d态密度存在,同时,在价带谱中2-10eV处有强度较大的S 3p态密度存在;Fe的3d轨道在八面体配位场作用下分别为t2g和eg轨道,实验中由Fe的吸收谱计算得到两分裂能级之差为2.1eV;实验测得FeS2价带结构中导带宽度约为2.4eV,导带上方仍存在第二能隙,其宽度约为2.8eV.     

强流脉冲电子束作用下金属纯Cu的微观结构状态——变形结构

为了研究金属的超快变形机理,利用强流脉冲电子束(HCPEB)技术对多晶纯Cu进行了辐照处理,并利用透射电子显微镜对HCPEB诱发的表面微结构进行了表征.实验结果表明,HCPEB轰击多晶纯Cu后,在轰击表层诱发了幅值极大的应力和极高的应变速率.1次HCPEB轰击材料表层的变形结构以交滑移形成的位错胞和位错缠结结构为主;多次轰击后平行的位错墙和孪晶是该区域的主要变形结构特征;原子面的扩散乃至位错攀移可在晶界和孪晶界上形成台阶结构.根据各自区域的变形结构特征,对相应的变形机理进行了探讨. 关键词： 强流脉冲电子束 多晶Cu 变形结构 孪晶     

多阶式层级梯度蜂窝结构的共面冲击响应

为改善蜂窝结构共面的力学性能,基于传统六边形蜂窝结构,建立了六边形层级蜂窝结构,并利用层级蜂窝代替传统六边形蜂窝部分胞元层,复合成一种新型多阶式层级梯度蜂窝结构。利用显式动力学有限元方法研究了层级梯度蜂窝的共面在不同冲击速度作用下的冲击响应特性和能量吸收能力。研究结果表明：层级梯度蜂窝的变形模式与塑性坍塌强度和冲击速度有关;层级梯度蜂窝冲击端和固定端在不同冲击速度作用下的名义应力-应变曲线均与其变形模式有关;不同的复合方式会导致层级梯度蜂窝具有不同的平台应力和比吸能,且在高速冲击时其平台应力比传统六边形蜂窝提高45.4%～63.8%,能量吸收提升10.8%～34.1%。相对密度会影响层级梯度蜂窝的能量吸收能力。     

FeS2多晶薄膜电子结构的实验研究

用磁控溅射方法制各纯Fe薄膜，并硫化合成FeS₂. 采用同步辐射X射线近边吸收谱与X射线光电子能谱研究了薄膜的电子结构. 结果表明，合成的FeS₂薄膜，在费米能级附近，有较强的Fe 3d态密度存在，同时，在价带谱中2—10eV处有强度较大的S 3p态密度存在；Fe的3d轨道在八面体配位场作用下分别为t_2g和e_g轨道，实验中由Fe的吸收谱计算得到两分裂能级之差为2.1eV;实验测得FeS₂价带结构中导带宽度约为2.4eV，导带上方仍存在第二能隙，其宽度约为2.8eV. 关键词： 磁控溅射 二硫化铁 X射线吸收近边结构 电子结构     

聚脲/铝分层复合结构的抗爆性能研究

为研究聚脲/铝分层复合结构的抗爆性能,对在空爆载荷下的聚脲/铝结构进行了数值模拟,并与文献中的试验结果进行对比,验证数值模型的准确性。在此基础上研究了等质量条件下,复合结构层数、复合结构中金属铝的体积分数以及聚脲层位置对靶板中心点挠度的影响,分析爆炸过程中结构的能量吸收特点。结果表明：在等质量下,聚脲/铝分层复合结构存在最优的结构设计;在所讨论的结构中,除铝体积分数为90%的4层结构外,其他结构的抗爆性能均优于均质铝板,铝体积分数为10%的一层结构的抗爆炸性能最好;聚脲涂覆位置影响结构的抗爆性能,且聚脲涂覆在背爆面时抗冲击性能更优;铝板的内能吸收是复合结构能量吸收的主要部分,铝板的内能吸收比例随着铝体积分数的增加先减小后增大。研究结果可为聚脲/铝复合结构的抗爆设计提供参考。     

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。     

仿马尾草薄壁结构的设计与耐撞性研究

基于马尾草茎秆的结构特征,设计了一种新型马尾草仿生薄壁管。利用有限元软件ABAQUS,分析了双圆管和马尾草仿生薄壁管在轴向压缩下的耐撞性能和能量吸收特性。结果表明：在质量相同的情况下,仿生薄壁管的比吸能提高了34.74%,压缩力效率提高了37.50%,马尾草仿生薄壁管的比吸能随壁厚的增加而单调递增;对于肋数不同、质量相同的仿生薄壁管,肋数为4的结构耐撞性最好;在肋厚不变(比吸能损失较小)的前提下,调节肋角可以降低薄壁结构的初始峰值力。为了进一步提高薄壁管的能量吸收能力,以内半径、肋角和肋厚为设计变量,进行了多目标优化。采用响应面法和遗传算法(NSGA-Ⅱ),使比吸能最大化的同时初始峰值载荷最小化。与最初设计的仿生薄壁管相比,优化后薄壁管的比吸能提高了13.42%。     

多层级夹芯结构的变形与能量吸收

采用数值模拟与理论分析相结合的方法研究了多层级波纹板夹芯结构在准静态压缩载荷下的变形规律与能量吸收性能,建立了结构临界失效载荷的计算公式,并与数值模拟结果进行了对比,理论预测与数值模拟结果吻合较好。分析了芯层厚度对二级芯层结构在压缩载荷下的变形模式及能量吸收性能的影响,并与一级结构进行了对比。结果表明:二级芯层结构的能量吸收性能显著优于一级芯层结构;随着结构芯层厚度增加,二级结构的比吸能和载荷效率增大;芯层厚度较小时二级单层结构的比吸能高于二级双层和三层结构,二级双层结构的比吸能略高于二级三层结构。     

钢板/POZD复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能

为研究钢板/聚异氰氨酸酯噁唑烷（polyisocyanate oxazodone,POZD）聚合物高分子材料复合结构在近距空爆载荷下的抗爆性能,开展了近距空爆试验,通过观察试验模型的损伤以及相关数据统计,分析了钢板/POZD复合结构的变形失效模式。采用LS-DYNA软件进行数值模拟,通过与试验结果进行对比,验证了数值模拟方法的准确性,并进一步分析了钢板/POZD复合结构跨中位移变化和能量吸收特性。结果表明：在相同钢板厚度下,钢板/POZD复合结构较单一钢板具有更优越的抗爆性能,钢板呈现出3种不同的变形失效模式;在钢板/POZD复合结构中,当钢板和POZD均未出现破口时,钢板的塑性应变能占总能量吸收的大部分;钢板/POZD复合结构中心点最大位移逐渐增大,且变形速度先升高后降低。研究结果可为工程中钢板/POZD复合结构的抗爆防护设计提供参考。     

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。