剪切增稠液填充蜂窝夹芯板的低速冲击响应

将气相二氧化硅颗粒与聚乙二醇溶液混合制备的剪切增稠液(shear-thickening fluid,STF)填充到蜂窝芯层中,制成了STF填充蜂窝夹芯板。通过落锤冲击实验,研究了冲击速度(1.0、1.5、2.0 m/s)、蜂窝孔径(2.0、2.5、3.0 mm)和壁厚(0.04、0.06、0.08 mm)对夹芯板力学性能的影响。利用数字图像相关技术测量了结构的应变历史和后面板挠度场的分布情况,探讨了结构的低速冲击响应过程。实验结果表明,在低速冲击下,未填充STF蜂窝夹芯板的变形模式为后面板中心区域凸起变形,周围区域有明显鼓包变形;填充STF蜂窝夹芯板的变形模式为后面板凸起变形且局部凸起区域较大,周围无鼓包产生。STF的剪切增稠效应可以增加参与能量吸收的蜂窝单元,扩大结构的局部变形区域,减小结构的后面板挠度。提高冲击速度、增大蜂窝孔径或者减小壁厚,都更有利于STF的剪切增稠效应。

浮冰反复碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应实验研究

本文采用水平冲击试验装置开展楔形刚性冲头与楔形冰体反复碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应实验,研究蜂窝金属夹芯板结构塑性变形损伤、下面板位移时程曲线和碰撞力时程曲线等动态响应特性,分析冰体反复碰撞和刚体反复碰撞对蜂窝金属夹芯板动态响应的差异。研究结果表明:随着楔形冰体反复碰撞次数的增加,碰撞力峰值持续增大,碰撞接触时间明显缩短,蜂窝金属夹芯板上下面板的局部凹陷和整体弯曲变形逐渐增大,蜂窝芯层压缩量逐渐增加直至密实化;由于碰撞过程中存在冰体破碎现象,冰体碰撞接触面积增大,与刚性反复碰撞相比,冰体反复碰撞作用下夹芯板上面板中点的最终挠度偏小,但局部损伤面积明显偏大;随着碰撞次数的增加,蜂窝金属夹芯板结构塑性累积变形由一条塑性铰线发展演化为椭圆形塑性区。

圆弧形蜂窝夹芯板在低速冲击下的动力响应研究

为了研究具有负泊松比特性的圆弧形蜂窝夹芯板的动力响应,基于哈密顿原理和一阶剪切变形理论推导了圆弧形蜂窝夹芯板的运动方程,同时建立两自由度的质量-弹簧模型来获得蜂窝夹芯板与冲击器之间的接触力,利用Navier法和Duhamel积分对圆弧形夹芯板的运动方程解析求解。在理论模型有效性验证方面,低速冲击下蜂窝夹芯板中心最大横向位移的理论模型计算结果与ABAQUS有限元仿真结果的最大相对误差为4.9%,同时求得理论模型与已发表文献计算出的接触力最大相对误差为8%,验证了理论模型的有效性。通过理论模型研究了蜂窝胞元参数变化对蜂窝夹芯板动力响应的影响,研究结果表明:随着球形冲击器的冲击速度递增,圆弧形蜂窝夹芯板中心最大横向位移也呈现出递增的规律;圆弧形蜂窝夹芯板的抗冲击特性随着蜂窝胞元半径或角度的增大而减小,当蜂窝胞元半径从5 mm增加至7 mm时,蜂窝夹芯板的抗冲击特性减少40.28%;当蜂窝胞元角度从30°增加至60°时,蜂窝夹芯板的抗冲击特性减少83.64%;蜂窝夹芯板的抗冲击特性随着蜂窝胞元壁厚的增大而增大,当蜂窝胞元壁厚从1 mm增加至3 mm时,蜂窝夹芯板的抗冲击特性提升59.51%。通过减小胞元角度和半径,增加胞元壁厚可以提升圆弧形蜂窝夹芯板的抗冲击特性。

超高速撞击蜂窝夹芯板的弹丸形状效应数值模拟研究

目的通过数值模拟研究不同形状弹丸在超高速垂直撞击下对蜂窝夹芯板的能量传递和损伤机制。方法采用固定FEM-SPH耦合方法,并将数值模拟结果与NASA的试验数据进行对比验证。经验证的模型被用于比较圆锥形、立方体和球形弹丸对蜂窝夹芯板能量吸收效率及损伤分布的影响。结果随着撞击速度的增加,前后面板的损伤面积以及蜂窝核心层的能量吸收和损伤面积均有所增加。D/H值的增加会降低前后面板的能量吸收效率,而提高蜂窝核心层的吸收效率。撞击位置的变化直接影响弹丸碎片在蜂窝核心内的分布,从而改变碎片云的膨胀区域和后面板的损伤形态。结论弹丸形状、撞击位置和速度等因素对蜂窝夹芯板损伤特征、能量吸收效率和损伤分布具有显著影响。

蜂窝铝夹芯板动态冲击试验研究

采用落锤低速冲击试验测试蜂窝铝夹芯板的动态力学性能,研究了其破坏形态、破坏过程和典型荷载-位移曲线,分析了冲击速度和面板厚度两个因素对夹芯板极限冲击承载力和吸能量的影响,并和准静态试验下相应面板厚度的夹芯板进行力学性能对比。试验结果表明,蜂窝铝夹芯板的典型冲击荷载-位移曲线呈现出五个主要阶段,在不同冲击速度下夹芯板的极限冲击承载力和吸能量基本一致,而随着面板厚度的增加,夹芯板的极限冲击承载力和吸能量随之增加,三种不同面板厚度的夹芯板在落锤低速冲击作用下的极限冲击承载力和吸能量比在准静态作用下提高。

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤研究

本文对蜂窝夹芯板试件进行了低速冲击试验，然后用Ｘ光技术、热揭层技术、断面显微技术和外观检测等对冲击后板的损伤进行了较为全面的研究，讨论了表面布的作用，分析了外观损伤、面板损伤、蜂窝损伤等与冲击能量的关系。

材料及结构参数对约束阻尼结构阻尼性能的影响

以8.5mm厚的钢板为基层,以橡胶为阻尼层;以铝蜂窝板为约束层,采用锤击振动法,研究了-20~40℃温度范围内橡胶性能、约束层厚度、阻尼层厚度对约束阻尼结构阻尼性能的影响.结果表明:阻尼层橡胶材料的性能对约束阻尼结构的共振频率和结构损耗因子均有明显的影响,通过调节橡胶材料的有效阻尼温域来设计约束阻尼结构的有效阻尼温域具有显著的效果.约束层厚度为6,10,15mm时,随着约束层厚度的增加,约束阻尼试样的共振频率和结构损耗因子依次增大;阻尼层厚度为0.8,1.6,2.4,3.2mm时,约束阻尼结构的结构损耗因子随着阻尼层厚度增加而增大.

基于ANSYS的铝蜂窝夹芯板低速冲击仿真模拟研究

简要介绍了蜂窝夹芯板的结构及特点,利用ANSYS有限元模拟软件模拟分析了小球低速冲击对蜂窝铝板的损伤变形,在冲击条件参数不变的情况下,研究了蜂窝铝板结构参数(蜂窝芯边长、蜂窝芯壁厚、蒙皮板厚)对冲击变形以及吸收能量的影响。结果表明,冲击速度越快,能量吸收系数越高,蜂窝芯厚度、蒙皮板厚度增加和蜂窝芯边长减小均使蜂窝铝板耐冲击能力有所提升。

梯度铝蜂窝夹芯板的力学行为

梯度分层铝合金蜂窝板是一种有效的吸能结构,本工作在梯度铝蜂窝结构的基础上根据梯度率的概念,通过改变蜂窝芯层的胞壁长度,设计了4种质量相同、梯度率不同的铝蜂窝夹芯结构。通过准静态压缩实验,并结合非线性有限元模拟准静态及冲击态下梯度铝蜂窝夹芯结构的变形情况及其力学性能,分析对比了相同质量下梯度铝蜂窝夹芯结构在准静态下的变形模式以及冲击载荷下分层均质蜂窝结构和不同梯度率的分层梯度蜂窝结构的动态响应和能量吸收特性。结果表明:在准静态压缩过程中,铝蜂窝梯度夹芯板的变形具有明显的局部化特征,蜂窝芯的变形为低密度优先变形直至密实,层级之间的密实化应变差随芯层密度的增大而逐渐减小;在高速冲击下,梯度蜂窝板并非严格按照准静态过程中逐级变形直至密实,而是在锤头冲击惯性及芯层密度的相互作用下整体发生的线弹性变形、弹性屈曲、塑性坍塌及密实化;另外,在本工作所设计的梯度率中,当梯度率为γ_(1)=0.0276时,梯度蜂窝夹芯板的吸能性达到最好,相较于同等质量下的均质蜂窝夹芯板,能量吸收提高了10.63%。

梯度铝合金蜂窝夹芯板复合材料的力学响应

通过改变蜂窝芯层的胞壁长度,利用试验和有限元模拟相结合的方法研究了梯度蜂窝夹芯板在准静态及动态冲击条件下的面外压缩过程和力学响应,计算结果表明,在准静态压缩过程中,梯度铝合金蜂窝夹芯板从相对密度低的层级向相对密度高的层级逐级变形,相对密度越高的层级所产生的塑性铰越多。而在高速冲击下,梯度蜂窝夹芯板的变形主要受冲击惯性的影响,梯度蜂窝夹芯板的变形与准静态下蜂窝夹芯板的变形存在明显的不同。并且当梯度率为0.0276时,梯度蜂窝夹芯板的吸能性达到最好,相较于同等质量的均质蜂窝夹芯板,能量吸收提高了10.63%,因此,对蜂窝夹芯板进行梯度设计可以有效提高其能量吸收能力。

低速冲击后复合材料蜂窝夹芯板的拉伸特性

对含低速冲击损伤的蜂窝夹芯板试件进行了拉伸试验，用Ｘ光技术、热揭层技术和外观检测等对拉伸破坏过程进行了研究，分析了剩余拉伸强度与冲击能量的关系。结果表明：拉伸过程中，四种破坏形式同时存在且相互作用；冲击损伤严重影响了蜂窝夹芯板的抗拉能力。

薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透试验与失效机理

为研究薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透损伤的失效机理,对具有3层平面编织复合材料面板的蜂窝夹层板试验件进行了多种能量的冲击试验。并在考虑了面板材料的渐进失效以及面内剪切非线性应力应变关系基础上,运用LS-DYNA有限元分析软件建立了夹层板的数值模型,用以分析失效过程。结果表明,数值模拟结果与试验结果一致。上面板穿透或整体贯穿时面板均呈花瓣状裂开,前者蜂窝以压溃损伤为主,后者则额外产生蜂窝芯体与下面板间的界面脱粘以及蜂窝壁的断裂损伤。无面板穿透时,冲击接触力将保持纤维断裂损伤阈值力大小直至冲头回弹;面板穿透则使冲击区域刚度下降,接触力随之下降,其中板整体贯穿时接触力会出现两个峰值。薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透过程中的主要能量耗散在复合材料面板的纤维拉伸断裂,蜂窝的压溃和断裂过程也消耗部分能量。

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。

蜂窝夹层板超高速撞击极限方程分析

为分析撞击极限方程对蜂窝夹层结构的穿透特性的预测能力,调研得到了3类撞击极限方程的表达形式和等效方法,以及131个采用碳纤维复合材料(CFRP)面板的蜂窝夹层板结构的试验数据,并对撞击极限方程的预测能力进行了比较计算。结果发现,MET方程对他源数据的四种(未失效、失效、总体以及安全)预测率均大于80%,进行在轨航天器结构的失效分析时可优先选用;SRL方程对本源数据的安全预测率达到了100%,在他源数据上的安全预测率也很高,适用于航天器防护结构设计。探讨了撞击极限方程中的系数、速度分界值的优化思路,以提高撞击极限方程的预测率。

基于Ansys的冲击载荷下蜂窝夹芯板的动力学响应

以四边固支铝基蜂窝夹芯板为研究对象,针对蜂窝夹芯板胞元中添加颗粒的位置及填充量对动力学响应的影响进行了Ansys数值模拟计算,并比较了不同条件下的蜂窝夹芯板应力应变值.结果表明：在冲击载荷下,蜂窝夹芯板胞元中添加颗粒后能很好地减小应力应变值,增大蜂窝夹芯板的吸能效果.颗粒填充范围为0.2~0.25,颗粒填充数为两粒时,蜂窝夹芯板的应力应变值最小,吸能效果最佳,过多的填充不仅不具有更好的吸能效果,反而会激振蜂窝夹芯板.

内凹弧形蜂窝夹芯板低速弹道冲击试验与数值仿真

面向弹道冲击防护,设计制备了1060铝合金材质的内凹弧形(re-entrant circular,REC)和传统内凹(re-entrant,RE)六边形蜂窝夹芯板。采用钢质圆柱弹低速冲击试验结合有限元数值仿真,研究对比了两类蜂窝夹芯板的低速弹道冲击动态响应与防护性能。进而,利用经验证的有限元模型,仿真分析着靶速度对两类蜂窝夹芯板的低速弹道冲击最大永久压缩量、局部泊松比值和各部件吸能占比的影响。最后,分析了REC蜂窝胞元的圆弧胞壁半径、胞元长度等结构参数对夹芯板低速弹道冲击响应的影响。结果表明:相比RE蜂窝,REC蜂窝夹芯板在相同弹道冲击载荷下最大永久压缩量更小,抗弹性能更优,并且低速下优势更显著;随着胞元长度和圆弧胞壁半径减小,REC蜂窝夹芯板的抗弹性能可进一步提升。

蜂窝夹层板撞击极限方程预测能力的提升

蜂窝夹层板撞击极限方程是空间碎片撞击航天器风险评估的关键技术,目前描述其预测能力的指标主要有总体、安全预测正确率和绝对、相对误差。基于131个蜂窝夹层板的实验数据,分别描述各个预测指标在方程系数空间的变化特征,并采用层次化思路进行方程预测指标提升的探讨。结果发现,进行方程优化时,预测概率型指标可精确优化,而预测误差型指标可快速优化;总体预测正确率作为首要预测指标可优先用于研究航天器的在轨防护特性,而安全预测正确率作为首要指标则可优先用于其设计安全性。

不同冲击参数下Nomex蜂窝板的低速冲击损伤

Nomex蜂窝板因具有轻质、高强度的特点,在航空航天、高速列车、船舶制造等领域得到了越来越广泛的应用。但特殊的三明治夹层结构使其对冲击载荷特别敏感,较小的冲击载荷都可能对结构造成不可避免的损伤,从而使结构力学性能下降。针对Nomex夹层板的低速冲击性能,利用落锤冲击试验及精细化仿真模型探究Nomex蜂窝板在不同直径冲头和不同能量冲击下的力学性能反馈及损伤情况,并建立最大峰值力的理论计算模型,以判断服役蜂窝板遭受损伤的工况环境,对蜂窝板的实用工况调整提供一定的参考。

蜂窝金属夹芯板重复冲击动态响应研究

蜂窝金属及其夹芯结构是一种物理功能与结构一体化的新型轻质高强结构,广泛应用于结构轻量化与碰撞冲击防护领域。采用ABAQUS非线性有限元软件建立了蜂窝金属夹芯板(honeycomb sandwich panel,HSP)结构动态冲击数值仿真模型,数值仿真计算结果与文献实验结果吻合较好,验证了数值仿真模型的正确性。在此基础上,开展了重复冲击载荷作用下蜂窝金属夹芯板结构动态响应研究,得到了重复冲击力时程曲线、动态变形时程曲线、冲击力位移曲线以及最终挠度,分析了冲击能量、蜂窝壁厚以及上、下面板厚度分配对蜂窝金属夹芯板结构重复冲击动态响应的影响规律。研究结果表明,重复冲击载荷作用下蜂窝金属夹芯板结构上、下面板弯曲变形以及蜂窝芯层压缩变形逐渐积累,蜂窝芯层薄壁结构逐渐达到密实化,结构抗弯刚度逐渐上升,变形增量逐渐减小,结构整体能量吸收率下降。通过调节蜂窝壁厚和上、下面板厚度分配可以显著调节蜂窝金属夹芯板结构重复冲击动态响应与能量吸收性能。

复合材料夹芯板低速冲击后弯曲及横向静压特性

对低速冲击后的复合材料 Nomex蜂窝夹芯板进行了纯弯曲和准静态横向压缩实验 ,用 X光技术、热揭层技术和外观检测等对板内的损伤进行测量 ,分析了被冲击面在受压情况下蜂窝夹芯板的弯曲破坏特点 ,对比了横向静压与低速冲击所造成的板内损伤 ,讨论了不同横向压缩速度时接触力 P-压入位移 Δh的变化规律和损伤情况。结果表明 :低速冲击可使蜂窝夹芯板的弯曲强度大幅度降低 ;Nomex蜂窝夹芯板对低速冲击不敏感。