小当量近场爆炸冲击下CFRP层合板失效机理及吸能特性

为研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在小当量近场爆炸冲击下的失效机理及吸能特性,对CFRP层合板分别开展了自由场爆炸试验和扫描电镜试验。同时,建立采用3D Hashin失效准则的复合材料层合板损伤模型,针对近场爆炸冲击下CFRP层合板的动响应行为进行了数值模拟,结合试验结果分析了CFRP层合板在近场爆炸冲击下的失效机理及吸能特性。结果表明:CFRP层合板迎爆面与背爆面失效模式存在差异,层合板迎爆面受到冲击波直接作用,出现基体开裂、纤维断裂或中心穿孔失效,分层出现在纤维⁃基体界面;背爆面由于反射拉伸波的作用,出现大面积的分层失效与裂片飞出,分层出现在基体内部。在层合板动响应过程中,高应力区域集中在穿孔区域边界,沿纤维方向分布,0°与90°铺层的应力水平高于±45°铺层。与迎爆面相比,背爆面处的层合板吸收转化大部分能量,约占总吸能的52%~56%。

锥形薄壁圆管吸能构件设计与吸能特性研究

为提高液压支架在矿井中工作时的防冲性能,文中提出了一种锥形薄壁圆管吸能结构。根据其变形特点建立力学模型,并对其吸能量及平均压溃力进行计算。建立吸能结构的三维模型,通过ABAQUS有限元软件进行数值模拟分析,探究锥形薄壁圆管的锥度、壁厚和导向槽的直径对其轴向压溃的屈曲变形、初始峰值力、平均支反力、吸能总量和吸能效果的影响,并结合试验加以验证。研究结果表明:在不更改吸能构件其他参数的情况下,导向槽的直径降低或吸能构件壁厚的增加,均有利于初始峰值力、吸能总量与平均支反力的提高;锥度的增加,使得吸能构件的平均载荷显著降低,锥形管的加入有效防止了吸能构件在受压变形过程中,变形部件出现胀管和从中部压溃,不按预想的方式压溃的问题。

周向约束对木材压缩吸能特性的影响

通过准静态压缩试验,考察轻木、泡桐、杉木、毛白杨4种木材在周向约束条件时,顺纹和横纹的压缩力学行为、破坏形态、吸能特性,并利用t检验分析其差异显著性。结果表明:①周向约束木材的顺纹压缩应力-应变曲线仍表现为“三阶段”特征,周向约束可抑制木材剪切扩展、大幅屈曲变形等非稳态破坏,曲线平台阶段应力基本与破坏强度持平。②泡桐、杉木、毛白杨顺纹压缩的吸能能力、平台阶段平稳性显著提高,其单位体积吸能值分别提高了15.51%、53.02%、48.15%,理想吸能率增大了35.93%、24.24%、86.00%。③周向约束木材的径向与弦向压缩力学行为、吸能特性相似,木材压头侧边纤维受试样中部拉伸和剪切作用发生竖向剥离,并沿压缩方向产生裂纹。④与无约束压缩相比,周向约束轻木、泡桐横纹压缩应力-应变曲线形状无明显变化,径向压缩单位体积吸能值分别提高了325.51%、182.60%,弦向压缩单位体积吸能值分别提高了430.57%、255.66%;杉木、毛白杨周向约束时横纹压缩应力-应变曲线变为无平台区的“两阶段”形式,理想吸能率均显著降低。

泡沫铝填充薄壁金属圆管吸能特性的预测及优化方法

为提高泡沫铝填充薄壁金属圆管的吸能特性并进行高效率结构设计,基于均匀拉丁超立方试验设计方法和径向基函数神经网络,构建轴向冲击下泡沫铝填充铝管吸能特性的近似模型,并将近似模型嵌入遗传算法中实现构件的结构优化。研究结果表明:基于径向基函数神经网络构建的近似模型的拟合优度大于0.99、均方根误差小于0.08,且近似模型的计算耗时仅为数值计算的0.56%;近似模型在保证较高精度的同时可大幅提高计算效率;对泡沫铝填充铝管的结构优化发现,通过增大圆管半径和壁厚、减小高度可使泡沫铝填充铝管的平均压缩力最大化,反之,可使泡沫铝填充铝管的峰值压缩力最小化;基于遗传算法的多目标优化显著提高了泡沫铝填充铝管的吸能特性;该研究成果可为泡沫铝填充薄壁金属圆管的快速设计和优化提供参考。

环氧树脂基复合材料的动态响应与吸能特性

为探究冲击荷载下空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料的动态响应与破坏机制,本文采用落锤式冲击试验机对材料进行整体冲击实验,获得了不同冲击速度、不同微珠含量复合材料的破坏形态和冲击荷载-位移曲线,研究了峰值载荷、吸能量、比吸能及能量吸收率的变化规律,并引入弹性能密度和耗散能密度来分析材料的内部能量演化分配和破坏机制。结果表明,材料的破坏程度、峰值荷载、吸能量及比吸能具有明显的应变率效应。当微珠含量在10%时,峰值载荷为95 kN,比吸能为28.21 J/g,能量吸收率达到90%,储能极限为6.46 kJ/m^(3),显示出优良的抗冲击承载能力和能量吸收能力。由能量密度曲线可知,输入能量在应力峰值前以弹性能储存为主,应力峰值后耗散能密度急增,其冲击能量主要通过试件内部裂纹萌生、扩展及微珠破裂脱粘等损伤形式进行耗散。

高速磁浮列车泡沫三明治板在冲击载荷下的吸能特性与参数优化

建立模拟高速磁浮列车泡沫三明治裙板冲击的有限元模型,基于搭建的钢球冲击试验装置验证模型的有效性,研究冲击速度、前后金属面板厚度和支撑间距对泡沫三明治板吸能量和冲击载荷的影响。采用响应面法建立泡沫三明治板内能和初始峰值载荷的代理模型,基于遗传算法提出冲击速度、前后面板厚度和支撑间距等参数的优化方法。研究结果表明:在低速(8 m/s)冲击下,泡沫三明治板具有更好的吸能效率,吸能效率能达到90%以上;随着冲击速度增加,吸能效率显著下降;增加冲击间距不仅能延长冲击作用时间,也能显著降低冲击载荷峰值力,降幅达到13.59%;针对高速磁浮列车泡沫三明治板的吸能设计要求,通过调整前、后金属面板的厚度可有效改善其吸能效果。内能和峰值力的预测值与其真实值之间的最大相对误差分别为4.14%和0.96%,满足高速磁浮列车泡沫三明治板吸能特性预测的精度要求。

模块化多孔结构的变形模式及吸能特性

模块化多孔结构相较于传统一体式结构能够更加灵活地满足装配需求,研究其变形模式和吸能特性,可为多孔结构在工程中的应用提供新思路。选用具有正泊松比效应的正六边形和具有负泊松比效应的内凹形作为模块化多孔结构的填充单元,共设计了8种结构,并进行了准静态压缩实验。实验结果与有限元模拟计算结果吻合良好。研究发现:不同填充方式的结构具有不同的变形模式,其中正六边形填充表现出明显的剪切破坏带,交替填充能较好地保持单元的初始形状;2层填充多孔结构的压缩力峰值均大于3层填充结构,2层结构的比吸能也大于对应的3层填充结构;正六边形填充结构的总吸能、平均压缩力和比吸能在4种填充方式中均最小;内凹形填充结构的总吸能和平均压缩力均最大,且其比吸能保持在稳定且较高的水平。

天然不含节竹管在轴向压缩冲击载荷下冲击响应与吸能特性的数值分析

天然不含节竹管在工程中应用较广,研究此类天然薄壁管结构的抗冲击能力具有重要的意义。利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB),研究天然竹管的抗冲击性能并进行有限元分析。在ABAQUS中应用三维Hashin和Puck单向纤维复合材料失效准则,结合应变率效应对强度的修正建立竹管本构模型,对冲击载荷下的天然不含节竹管进行模拟,得到的动态应力-应变曲线和破坏模式与SHPB实验接近,验证有限元模型的准确性。结果表明:实验与模拟的极限抗压强度误差最小为2.19%、最大为8.68%;在不同的冲击压缩载荷下,竹管出现端面压溃、沿轴向劈裂等破坏形式;竹管外壁节点处的位移、速度和加速度响应均随冲击载荷的增加而增加;随冲击载荷升高,入射能、反射能、吸收能和比吸能随时间均呈上升趋势,透射能随时间变化不大;不含节竹管的峰值载荷远低于薄壁圆管GFRP (glass fiber reinforcement plastic),但比吸能较为接近,说明不含节竹管并不适用于需承受大冲击能量的高速冲击防护领域。初步结果可为竹管用于工程结构防护给予理论参考。

一种组合式二级缓冲吸能装置的吸能特性研究

基于胀管和泡沫铝的缓冲吸能特性,以能量吸收值为设计目标,提出了一种新型二级缓冲吸能装置设计方法,并通过准静态压缩试验和落锤冲击试验验证了该方法的有效性。试验结果表明:该二级装置可实现预期的多级梯度应力平台。建立了二级缓冲吸能装置的有限元模型,通过仿真分析其在不同冲击工况下的动态响应和能量变化特征,该装置泡沫铝和胀管部分吸能占比可达80%,且更换主要耗能部分后其余构件可实现重复使用,并针对其失效模式提出优化方法,有效增加耗能材料的利用率和装置的整体稳定性。

泡沫填充负泊松比复合结构的吸能特性研究

为研究硬质聚氨酯泡沫(RPUF)作为填充材料对负泊松比(NPR)结构吸能特性的影响。将不同比例的聚氨酯白料与聚氨酯黑料混合获得了三种类型的RPUF材料,通过试验计算了泡沫材料的压缩强度。将RPUF作为内凹型NPR结构的填充芯材制备了聚氨酯泡沫-负泊松比复合吸能结构(RPUF-NPR),分析了结构压溃变形的失效模式、泡沫力学性能变化对填充复合结构(RPUF-NPR)耐撞吸能特性的影响。结果表明:采用RPUF作为NPR结构的芯材,大幅提高了结构的承载能力和吸能特性指标,RPUF(30∶50)-NPR的平均压溃荷载值比纯RPUF-NPR提高了75.76%,总吸能值达到127.60 J。该研究工作证实填充RPUF可以有效提高NPR结构的抗压性能,也为RPUF-NPR在车辆被动安全防护领域中的应用提供了新思路。

三聚氰胺-尿素-甲醛树脂浸渍改性对杉木压缩吸能特性的影响

采用质量分数为8%的三聚氰胺-尿素-甲醛(melamine-urea-formaldehyde resin,MUF)树脂溶液浸渍处理杉木(Cunninghamia lanceolata),通过准静态大变形压缩测试,考察杉木改性前后的压缩破坏模式、力学性能和压缩吸能特性等。结果表明:在改性材增重率为33.22%时,抗湿胀率达64.44%,尺寸稳定性得到改善;改性处理未影响杉木的压缩破坏形态,纵向主要为纤维屈曲和撕裂,径向主要为早晚材逐层压溃破坏,弦向主要呈火柴棍状破坏;改性材弹性模量和破坏强度提高,横纹平台应力显著增大,顺纹平台应力略有降低,致密化应变减小,纵向和横向之间的差异减小;改性材径向和弦向的单位体积吸能值分别增加了30%和17%,顺纹压缩吸能值及最大吸能效率则显著降低。低质量分数的MUF树脂浸渍处理可改善杉木的尺寸稳定性,缩小其纵向和横向之间的能量吸收差异。

基于多目标优化方法的FGT管吸能特性研究

为提升舰船反应堆弹性支承结构的抗冲击性,保护反应堆乃至整个舰船的结构安全,对支承方案的吸能结构进行结构优化,通过提升支承结构的综合吸能特性从而实现其抗冲击性优化的目的。利用JLY-6500型号实验机对试件进行冲击试验,基于ANSYS/LS-DYNA软件建立圆柱壳吸能结构试验模型,得到的数值模拟结果与试验吻合。采用目标规划法和功效系数法对多目标优化问题进行求解,对一种新型的具有功能梯度厚度(functional gradient thickness,FGT)的金属管结构进行吸能特性研究。研究结果表明,FGT管在[20 kJ,27.5 kJ]轴向冲击能量范围内各项吸能评价指标(比吸能、冲程效率、平均载荷)都有一定程度的改善,优化效果明显;FGT管在(10°、20°、30°)的斜向冲击下更难进入全局弯曲变形模式,这意味着FGT管有着更大的临界加载角度。优化后的FGT管在大多数冲击情况下,综合抗碰撞性能都优于UT(uniform thickness)管。本文分析结果可为实际支承结构的设计和维护提供参考。

夹芯薄壁金属管吸能特性

薄壁金属管具有结构简单、加工方便、成本低的特点,夹芯结构整体密度低,比刚度和比模量高,拥有优良的力学性能,两者作为缓冲吸能结构都有很广泛的应用。夹芯薄壁金属结构是将夹芯结构和薄壁金属管结构相结合的一种新型结构,此前作者通过该结构受力时的变形特点对其缓冲力理论模型进行了推导,但还未通过相关试验对其吸能特性进行进一步的研究。由于动态冲击试验过程复杂且危险、成本高.

蜂窝夹层结构汽车吸能盒吸能特性研究

本文研究对象为低速碰撞交通事故中起吸能作用的吸能盒,通过研究汽车吸能盒的结构参数找到提升其吸能特性的合理结构,分别以六边形、类四边形和类蜂窝夹层结构填充吸能盒,运用理论分析与数值仿真相结合的方法对传统吸能盒和蜂窝填充结构汽车吸能盒进行吸能特性研究,提升传统吸能盒的吸能特性。研究结果显示:通过填充后,吸能盒的吸能特性得到大幅提升,并且类蜂窝夹层结构吸能盒还降低了传统吸能盒的碰撞力峰值,具有重要的创新性,为汽车吸能盒的发展提供了一种新的选择,同时为汽车的安全性设计提供了重要的参考依据。

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。

夹芯薄壁金属管吸能特性仿真分析

因为本研究对象涉及材料的大变形、动态冲击的高度非线性问题,所以采用ABAQUS/Explicit对夹芯薄壁金属管动态冲击问题进行仿真模拟。对夹芯薄壁金属管的动态冲击问题进行有限元仿真,首先通过材料的力学性能试验得到铝合金结构材料的参数,再对有限元仿真得到的承载力特性进行分析,研究结构的不同参数对夹芯薄壁金属管缓冲吸能特性的影响,以期为夹芯薄壁金属管的设计提供研究方法和参考。

泡沫铝填充帽型结构轴向冲击吸能特性的试验研究

利用冲击试验系统,通过试验方法研究了泡沫铝填充帽型结构在轴向冲击工况下的吸能特性。首先进行了泡沫铝、空心帽型结构以及泡沫铝填充帽型结构的轴向冲击试验;然后根据试验结果,对泡沫铝填充帽型结构轴向冲击工况下的吸能特性进行了分析,评估了填充泡沫铝以及应变率对帽型结构吸能特性的影响。试验结果表明, 与空心结构相比,填充泡沫铝之后帽型结构的轴向压缩稳定性和吸能特性有明显的改善;由于材料对应变率敏感, 与准静态压缩相比,结构的吸能特性有一定的提高。

薄壁金属管塑性变形缓冲器吸能特性的试验研究

通过试验方法研究了薄壁铝管塑性变形缓冲器在准静态作用下的吸能特性。为了对各种缓冲器的缓冲性能进行综合评价,给出了三类缓冲器缓冲性能的评价方法。分析了薄壁金属管塑性变形缓冲器在工作过程中的变形机理,在此基础上,提出了通过对缓冲器胀环的不定径部分进行预处理,可以大大的提高缓冲器的理想吸能效率,减小缓冲力在工作过程中的波动。最后,对12种经过预处理后的薄壁铝管塑性变形缓冲器进行了试验,结果表明,通过该方法可以大大提高缓冲器的理想吸能效率,验证了该方法的正确性与可行性。

泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器吸能特性的试验研究

通过试验方法研究了泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器在准静态作用下的吸能特性。首先,进行了泡沫铝,薄壁金属管塑性变形缓冲器及泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的轴向压缩试验。然后,根据试验结果,对泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性进行了分析,并与独立的泡沫铝及薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性进行了比较。结果表明,泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性有了很大的提高。在吸收的能量一定时,泡沫铝填充结构能够减少吸能结构所需要的体积与质量。

汽车前纵梁薄壁结构碰撞吸能特性及其优化的研究

阐述了汽车前纵梁薄壁结构碰撞吸能特性的研究方法和研究现状,总结了板厚、材料性能、截面形状、结构形态和连接方式等因素对其碰撞吸能特性的影响。探讨了前纵梁激光拼焊板各部位板厚的多目标优化设计,并给出设计算例。