复合材料层压板冲击后压缩全过程仿真分析

针对复合材料层压板低速冲击数值模拟中将冲击和压缩过程割裂计算的问题,建立了将冲击和压缩两个过程统为一体的数值模拟方法。分别采用显式分析和隐式分析模拟冲击和压缩过程,将层压板冲击后的损伤数据、应力应变数据、位移数据等作为下一步的初始输入进行压缩模拟,并采用三维Hashin失效判据来判断复合材料的初始破坏,并对破坏后的复合材料进行刚度折减,来模拟损伤演化。采用试验标准建立有限元模型对所建立的数值模拟方法进行验证,计算结果与试验对比表明:失效模式一致,剩余强度相对误差满足工程要求。

压缩预载纤维金属层板高速冲击损伤分析

纤维金属层板(FMLs)作为新型防护结构材料,研究其预载下的高速冲击力学行为具有重要现实意义。基于ABAQUS/Explicit软件平台,建立非线性有限元模型,研究半球头子弹高速冲击压缩预载FMLs的侵彻过程及损伤特性。有限元模型中考虑复合材料应变率效应,基于三维Hashin准则,预测单层板面内损伤;采用Johnson-Cook模型模拟金属层高速冲击力学响应;引入内聚力单元模拟金属/复合材料及复合材料层板分层现象。利用该有限元模型在非预载条件下与现有实验结果进行了对比验证,并用于预测压缩预载情况下的高速冲击行为。探讨了不同压缩预载、冲击速度对FMLs高速冲击力学性能的影响,分析了相应载荷下材料的损伤特性。

三维角联锁机织复合材料面内低温冲击压缩损伤

研究三维角联锁机织结构复合材料面内方向在20℃、-40℃和-80℃温度场下、应变率在300/s~1000/s范围内的冲击压缩性能,采用高速摄影观察复合材料在20℃下的渐进破坏损伤过程,并借助光学显微镜和扫描电镜分析不同温度下复合材料的失效模式。结果表明:温度和应变率对面内方向复合材料力学性质具有影响。经向压缩主要是剪切失效模式,而纬向压缩为分层失效模式,随着应变率增大和环境温度降低,复合材料破坏形态更严重。

复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击后压缩强度的可靠性与灵敏度分析

建立了一种复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击后压缩强度的可靠性与灵敏度分析方法。利用ABAQUS有限元分析软件和VUMAT子程序建立了蜂窝夹芯结构冲击后压缩渐进损伤失效分析模型,并通过试验验证模型的有效性;在此基础上,利用Python语言对模型中材料力学性能和面板厚度、蜂窝芯子厚度进行参数化;采用径向基神经网络代理模型替代渐进损伤失效分析模型;基于蒙特卡洛法进行冲击后压缩强度的可靠性分析;分别采用基于方差和基于失效概率的方法进行参数的灵敏度分析,并研究参数的变异系数对结构可靠性的影响。结果表明:在外载荷低于10000 N,结构失效概率小于0.00017的情况下,当外载荷达到12700 N时,结构失效概率达到0.9;面板的力学性能、面板厚度、蜂窝芯厚度对冲击后压缩强度的影响较大;冲击后压缩强度的变异系数随着参数变异系数的增大而增大。

平纹编织复合材料加筋壁板低速冲击及冲击后压缩性能多尺度分析

该文通过构建平纹编织复合材料(plain woven composites,PWC)的微/细/宏观多尺度模型,对复合材料T型和工型加筋壁板的低速冲击(low-velocity impact,LVI)和冲击后压缩(compression after impact,CAI)性能进行分析。根据PWC内部结构特征,构建微观和细观代表性体积单元(representative volume element,RVE)模型,通过施加不同的载荷条件,预测其等效力学参数。同时,基于局部均匀化方法,将细观RVE模型转化为包含0°和90°子胞的等效交叉层合板(equivalent cross-ply laminate,ECPL)胞元。通过ECPL胞元建立PWC加筋壁板的宏观分析模型,并进行LVI和CAI性能分析。首先进行了能量为8 J、10 J和12 J的LVI试验和多尺度模拟,研究了PWC加筋壁板在LVI载荷下的力学行为。随后,对不同能量冲击后的加筋壁板进行CAI试验和数值模拟,研究其冲击后压缩剩余力学性能和损伤行为。最后,通过对比分析不同能量冲击下的LVI和CAI试验和预测结果,发现多尺度模型对加筋壁板力学性能的预测误差均小于6%,验证了该多尺度模型的有效性。试验和预测结果表明,在CAI载荷作用下,PWC加筋壁板的蒙皮部分沿着冲击损伤的位置发生完全断裂,其中,纤维断裂和层间分层成为PWC加筋壁板的主要损伤形式。此外,工型加筋壁板表现出更好的抵抗压缩强度衰减能力。

不同恒温时间加热下花岗岩冲击压缩力学特性及破碎特征

为研究不同恒温时间的实时高温作用对花岗岩冲击压缩力学特性与破碎特征的影响,开展了高温时SHPB冲击压缩试验及筛分试验。首先,将花岗岩加热到700℃并进行0、30、60、90及120 min这5种不同时间的恒温热处理;其次,不对试样做冷却处理,利用同步对杆装置进行高温时SHPB试验,收集破碎试件并开展筛分试验;最后,结合抗压强度、分形维数等数据,分析花岗岩的力学特性及破碎特征。研究结果表明:恒温时间对花岗岩动态抗压强度影响较大,试件抗压强度随恒温时间增加而呈明显下降趋势;花岗岩破碎程度随恒温时间增加而不断加剧,表现在破碎试件中细块数量逐渐减少,细粒数量不断增多。不同恒温时间加热下花岗岩冲击压缩破坏的分形维数集中在2.2~2.7之间,且与恒温时间呈现正相关关系。实时高温作用下花岗岩动态抗压能力与宏观破碎分形特征均具有明显的应变率强化效应。

运动疗法联合冲击波治疗老年骨质疏松腰椎椎体压缩性骨折患者中的疗效分析

目的:分析老年骨质疏松腰椎椎体压缩性骨折患者应用运动疗法联合放散状体外冲击波治疗的效果。方法:收集2023年1月至2024年1月收治的老年骨质疏松腰椎椎体压缩性骨折患者80例,以随机数字表法分为对照组和观察组各40例。对照组提供常规药物治疗,患者口服仙灵骨葆胶囊每天2次,每次1.5 g。观察组在对照组基础上联合运动疗法和冲击波治疗。两组均治疗3个月。检查两组治疗前后伤椎椎体前缘高度、Cobb角、疼痛情况、运动功能和日常生活能力。结果:观察组治疗后腰椎椎体前缘高度高于对照组,Cobb角低于对照组(P<0.05)。观察组治疗后VAS疼痛评分、ODI评分低于对照组,Barthel指数高于对照组。(P<0.05)。结论:老年骨质疏松腰椎椎体压缩性骨折患者应用运动疗法联合放散状体外冲击波治疗效果好,有利于降低疼痛,改善运动功能,应用价值高。

斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析

[目的]为分析冲击损伤对层合板压缩强度和失效行为的影响,对冲击后的编织碳纤维复合材料层合厚板开展面内压缩试验和数值仿真研究。[方法]通过建立有限元模型,开展层合板冲击后的压缩仿真分析,采用Fortran语言编写用户自定义材料子程序(VUMAT),实现改进的Hashin失效准则和基于损伤变量的材料退化模型在ABAQUS/Explict中的应用;从压缩强度和压缩破坏模式两方面将数值模拟与试验结果进行对比,验证所建立数值模型的有效性。[结果]结果显示,冲击损伤会降低层合板的压缩强度,无损层合板的压缩失效模式为端部破坏,冲击后的层合板会出现横贯试件中部的截断式破坏;冲击后的压缩强度会随冲击能量的增大而降低,但压缩强度与冲击能量之间并不存在线性关系;层合板损伤行为的拓展与压缩载荷的历程密切相关,压缩载荷在达到层合板破坏载荷的阈值之前,层合板的损伤几乎没有发生拓展,一旦压缩载荷达到阈值,损伤将沿宽度方向迅速拓展,最终发生横贯整个模型宽度方向的压缩损伤。[结论]所做研究可为斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板的抗冲击性能评估提供参考。

轴流压缩机空腔碳纤维叶片防冲击设计

为适应我国航空航天器的发展要求,风洞得到快速发展,风洞规模和性能指标逐渐提高,以使气动试验更加接近真实状态。叶片是保证主压缩机性能的核心部件,碳纤维材质的叶片结构简单、质量轻,可满足大直径、大功率、高转速运行使用的需求。但是在使用过程中,由于各种原因叶片存在一定的碰撞风险,需要对轴流压缩机空腔碳纤维叶片在低温、潮湿环境下气流入口方向的凝结冰粒,或者在运转过程中异物随着气流撞击叶片造成的损伤进行研究,为改进叶片结构设计提供理论依据。

CFRP层合板的二次低速冲击及剩余压缩强度试验研究

以碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板为研究对象,在结构的相同位置进行二次低速冲击,考察二次冲击时结构的动力响应和冲击后的剩余压缩强度,并与单次冲击的结果进行对比。在总冲击能量相同的前提下,采用落锤法对CFRP层合板进行冲击试验,得到结构单次和二次冲击的动力响应、能量吸收规律。采用超声波C扫描技术观测CFRP层合板内部的冲击损伤后,对CFRP层合板进行剩余压缩强度试验。系统研究和对比了单次和二次冲击对CFRP层合板在结构动力响应、能量吸收、损伤情况和剩余强度的影响。结果表明:总冲击能量分别为20 J、30 J、40 J时,二次冲击层合板试件吸收的总能量分别是单次冲击的52.50%、67.56%、81.41%,损伤总面积分别是单次冲击的60.58%、64.59%、80.60%;单次冲击后结构的剩余压缩强度分别是二次冲击的76.76%、78.65%、92.40%。此外,CAI-冲击能量、CAI-吸收能量和CAI-损伤面积曲线均在20 J的冲击能量下存在拐点。

压缩预应力下缝合复合材料层板低速冲击响应数值模拟

通过建立无预应力下低速冲击数值模型,将仿真结果同试验结果相比较,验证了模型的正确性;并在此基础上施加2400με压缩预应变来分析缝合层板的冲击响应。结果表明:缝合复合材料层板在承受压缩预应力时,层板的弯曲变形增大,冲击力最大值减小,冲头的回弹速度降低,分层损伤投影面积增加,能量损耗增加。压缩预应力对缝合层板低速冲击有较大的影响。

基于损伤分形维数的树脂基复合材料冲击后压缩强度预测方法

复合材料的承载能力对于低速冲击损伤非常敏感,复合材料冲击后压缩强度的预测对其工程应用至关重要。为此本文进行了三种不同铺层的碳纤维/环氧树脂5284RTM/U3160层合板目视可检损伤状态下剩余压缩强度试验。压缩试验前通过C扫获得了不同铺层层合板冲击损伤形貌,并基于分形维数研究了冲击损伤形貌。研究结果表明损伤分形维数越大的试验件冲击后压缩强度越低,据此提出了一种基于冲击损伤形貌分形维数的复合材料冲击后压缩性能预测模型。该方法将冲击损伤形貌等效成分形几何图形——Sierpinski地毯,通过损伤分形维数获得层合板损伤后不再参与承载的面积,进而获得层合板剩余压缩强度。模型预测结果与试验结果吻合较好,且无须冲击能量作为输入参数,工程应用方便。

ECC冲击压缩力学特性及耗能机制的试验研究

基于分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite, ECC)在14.8~16.3 s^(-1),31.8~36.5 s^(-1),57.8~65.5 s^(-1),167.3~200.2 s^(-1)4个应变率范围下进行冲击压缩试验,探究ECC在不同应变率下的动态力学特性及耗能机制。试验表明:ECC的动态抗压强度和动态峰值应变呈现出显著的应变率增强效应,在低应变率下纤维掺量对ECC动态抗压强度和峰值应变的增加作用较强,在高应变率增强作用不明显;纤维掺量对ECC在不同应变率的应力应变曲线具有类似的影响,在低应变率下纤维掺量对ECC应力应变曲线形态的影响大于高应变率;ECC的耗能能力与破坏形态有关,在能耗比达到90%以上时,纤维掺量为2.00%和2.30%的ECC的完整度是基体材料的4倍,充分体现了ECC在抗爆加固领域的优势,为ECC在抗爆抗冲击领域的应用提供技术参考。

冲击荷载下高强混凝土动力特性及破碎特征研究

为探究粉煤灰替代率和细集料类型对高强混凝土冲击压缩性能的影响,以粉煤灰替代水泥比例为0、10%、15%、20%、25%为胶凝材料,玄武岩机制砂和天然砂为细集料配制C80高强混凝土,利用分离式霍普金森杆对其开展冲击压缩试验,计算破碎体分形维数量化混凝土破碎特征,并借助扫描电镜(SEM)分析混凝土微观形貌。结果表明:机制砂混凝土(MSC)的峰值应力和韧性均高于天然砂混凝土(NSC);随着粉煤灰替代率增加,混凝土峰值应变逐渐降低;当粉煤灰替代率10%时,混凝土的峰值应力和韧性均达到最高值,且破碎体分形维数最小、平均块径最大、综合表现的破碎特征最简单;与未掺粉煤灰组混凝土相比,粉煤灰替代率10%时混凝土的微观形貌致密,孔隙数量减少,整体密实度提升。

PVC泡沫夹芯板单点低速冲击动态响应与冲击后剩余抗压强度试验研究

[目的]为了研究复合材料夹芯板抗冲击力学性能,选取尺寸为150 mm×100 mm×26 mm的正交编织玻纤复合材料PVC泡沫夹芯板为研究对象,研究其单点低速冲击动态响应与冲击后的剩余压缩强度。[方法]开展一系列不同冲击能量下夹芯板落锤冲击试验,研究夹芯板在不同冲击能量下的失效模式、冲击力–位移响应和能量吸收特性。随后开展含冲击损伤的夹芯板试样准静态压缩试验,分析含冲击损伤的复合夹芯板的最大压缩承载能力和剩余压缩强度。[结果]研究结果发现,不同冲击能量下夹芯板失效模式和冲击力–位移特性有明显的区别,芯层主要通过压缩变形来吸收冲击能量。随着冲击能量增大,复合材料夹芯板的最大冲击力、凹坑深度和结构吸收能量都随之增大,夹芯板结构的最大压缩承载能力和剩余压缩强度在逐渐降低,夹芯结构受冲击面板的损伤程度决定了夹芯板的剩余压缩强度。[结论]研究工作可为舰船结构抗冲击设计提供参考。

钢纤维混凝土冲击压缩力学性能研究

基于钢纤维随机生成算法和HJC本构模型生成了满足钢纤维体积率及几何特征要求的钢纤维混凝土细观数值模型,课题组研究了应变速率、钢纤维含量等因素对钢纤维混凝土在不同围压作用下冲击压缩力学性能的影响。结果表明:在钢纤维含量及钢纤维长径比相同的条件下,随着应变速率的提高,钢纤维混凝土的峰值应力和峰值应变均有不同程度的增大;随着围压的增大,钢纤维混凝土的冲击压缩强度及抵抗变形的能力显著增强;在有围压状态下,钢纤维混凝土冲击压缩强度的率效应受到抑制,围压越大,钢纤维混凝土冲击压缩强度的率效应的抑制效果越强。

SHPB循环冲击实验技术在岩石冲击动力学教学中的应用研究

该文通过将SHPB实验与岩石冲击动力学相关理论课程相结合的教学模式,提高学生对岩石冲击力学响应和能量演化特征的认知与理解,培养学生在科学实验方面的实际操作能力和严谨态度,发挥学生自主开展实验研究的主观能动性,提升教学效果。基于多学科交叉融合理念,联系科学研究热点问题,引导学生进一步思考并探索更多“SHPB+”,有助于培养学生的科研实践能力与思维创新精神。

基于加权随机森林算法的复合材料冲击后压缩剩余强度预测研究

飞机复合材料结构在服役中难免会因外物冲击而造成损伤,从而在一定程度上降低结构的承载能力,更会对飞机的飞行安全造成影响。相对于拉伸性能,复合材料对压缩性能更为敏感,因此对复合材料冲击后压缩性能进行研究意义重大。本文对复合材料冲击后压缩剩余强度试验数据进行工程方法分析,与随机森林预测结果进行了对比研究,结果表明,与现有工程方法相比,本文建立的基于加权随机森林算法对复合材料冲击后压缩剩余强度的预测精度有显著提升。

波浪对水平板冲击作用水气二相流数值模拟研究

冲击波压力是水工结构物的主要致灾动力之一.针对波浪裹挟气体作用于结构物的波浪冲击问题,考虑气体的可压缩性对准确计算结构物所承受的冲击波压力具有重要影响.基于简化的水-气二相流通用控制方程,结合动量源项造波法,采用加权本质无振荡(WENO)格式求解对流项,同时使用以加权线性界面计算法改进的多维双曲线切线法的界面捕捉法(THINC/WLIC)追踪水气界面,建立了不可压缩-可压缩水-气二相流的数值波浪模型.首先,通过将数值模型生成的行进波和驻波结果与其解析解进行比较,验证了本数值波浪模型在波浪生成和传播模拟方面具有较高的精度.据此,本研究将模型应用于模拟规则波对水平板的冲击过程,将冲击压强的模拟结果与实测数据以及未考虑空气压缩性的模型结果进行了对比,本数值模型能有效再现空气可压缩性对波浪冲击过程中冲击压强的影响,能够给出较高精度的冲击压强定性和定量结果.同时对水平板底部的流场结构进行了分析,结果显示,波浪冲击过程中不同的空腔形态会影响流速分布,从而对冲击压强产生影响.

基于希尔伯特半张量压缩感知的亚采样率采集技术

为了解决在无线分布式瞬态压力测试中高采样率带来的数据冗余和无线资源受限间的矛盾,压缩感知方法被提出在编码端实现冗余数据的压缩采样。但每个节点均需存储高维压缩感知观测矩阵,给无线节点的有限资源带来了新的挑战。基于半张量积的压缩感知技术在编码端利用半张量理论突破矩阵乘法维度的限制,显著降低观测矩阵的维度,但会在一定程度上损失信号的有效信息,且降低倍数优先。本文提出基于希尔伯特半张量压缩感知,利用希尔伯特与傅里叶变换的正交空间对冲击波信号进行能量逼近,增强稀疏表达与观测矩阵的不相干性,以此减少半张量积运算带来的观测损失,同时在重构算法中提出一种无先验信息的最优原子选择策略,利用能量正则化对变换后的数据的“能量”进行惩罚,提高原子支撑集选择的准确性。最后,提出变步长更新策略,使得重构算法在更新支撑集的过程中动态调整步长,降低原子选择时间,提高运行效率。通过对多量程实测炮口冲击波信号的仿真结果分析,本文提出的方法相较于奈奎斯特采样可以实现降低采样率,减少数据总量,保障通信的实时性,且相较于传统压缩感知技术,在观测矩阵维度减少到原来的二分之一时仍可以保证解码端的高精度重构,重构误差低于1e-6,且重构时间缩短约87%。此外,本文提出的方法可应用于分布式无线传输系统的高维信号采集,可以解决冗余数据和有限网络资源之间的矛盾。