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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

MATLAB离散数据数值积分教学案例——泡沫铝材料吸能特性计算

文章融合教学、科研和本科生毕业设计指导工作,利用基于科学实验获得的泡沫材料的应力-应变数据,设计了MATLAB离散数据数值积分教学案例——泡沫铝材料吸能特性计算。实验中采用“教师引导+学生实践”方式,使学生作为主角、教师作为配角。通过该教学案例,学生不仅学会了运用MATLAB软件进行数据处理和结果可视化的方法,提高了算法编程能力,还启迪了自身的创新思维,提升了科学文化素质。实践证明,该教学案例取得了良好的教学效果。

不同铺层角度复合材料Ω形柱的吸能特性

复合材料Ω形柱在碰撞吸能和轻量化方面具有一定的应用潜力,为研究铺层角度和加载速率对复合材料Ω形柱吸能性能的影响,开展了碳纤维复合材料Ω形柱的轴向压缩实验,深入分析了其吸能评价指标及破坏机理。主要研究内容及结果如下:进行了3种铺层角度([0/90]3s、[0/45/90/-45]3和[±45]3s)Ω形柱的准静态和动态压缩实验研究。准静态加载时,[0/90]3s和[0/45/90/-45]3铺层角度试样均表现为渐进破坏,而[±45]3s铺层角度试样表现为非稳态破坏,破坏模式的不同导致其比吸能约为前2种铺层试样的1/2;动态加载时,3种铺层角度的Ω形柱均表现为渐进破坏,且比吸能较为接近。其中,[0/90]3s和[0/45/90/-45]3铺层角度Ω形柱在动态加载时的比吸能较准静态分别降低了29.70%和20.97%,而[±45]3s比吸能较准静态提高了46.10%,破坏模式的转变是其比吸能提高的主要原因。准静态加载时,铺层角度对Ω形柱比吸能有一定影响。而动态加载时,加载速率的影响占主导地位,铺层角度影响较小。

不同缘条宽度复合材料C型柱轴向压缩吸能特性

针对不同缘条宽度的复合材料薄壁C型柱开展准静态轴向压缩实验,通过CT扫描分析其轴向压缩失效模式及破坏机理,利用吸能特性评估参数分析不同缘条宽度对C型柱轴向压缩吸能特性的影响。建立复合材料C型柱单层壳模型与多层壳模型,通过对比轴向压缩仿真与实验获得的失效模式、载荷-位移曲线以及吸能特性评估参数,来验证模型有效性。结果表明:缘条宽度对C型柱轴向压缩失效模式和吸能特性的影响较大,缘条宽度为25 mm和30 mm的C型柱在轴向压缩载荷作用下能够以稳态渐进的形式发生失效,且吸能特性较好;C型柱多层壳模型仿真获得的平均压缩载荷、总吸能及比吸能偏差在5%以内,单层壳模型仿真获得的平均压缩载荷、总吸能及比吸能偏差在8%以内,多层壳模型轴向压缩仿真精度更高。

轴向冲击与偏载下吸能防冲构件吸能特性研究

针对液压支架中吸能构件吸能防冲性能不足以及在偏载下易出现冲击性失效等问题,利用数值方法探究不同类型防冲构件在轴向冲击和偏载下的吸能特性。研究结果表明:普通圆管和方管变形模式不稳定、能量吸收较低,增加肋板后变形分别转为混合模式与渐进叠缩手风琴模式,变形中反力初始峰值、反力均值与吸能量均明显提高;偏载作用下构件易产生非对称变形和失稳,非对称变形下构件初始峰值损失严重,吸能防冲作用基本失效,且失稳下构件初始峰值降低,吸能量减少,反力均方差增大,吸能防冲效果较差;平台有倾角的偏载下构件吸能特性与轴向冲击下几乎相同,吸能防冲效果理想。研究结果可为进一步提高液压支架吸能防冲性能提供理论支撑。

聚脲涂覆泡沫铝压缩力学性能及吸能特性研究

为了增强泡沫铝的抗侵彻性能,本工作将聚脲涂覆于三种相对密度的泡沫铝试件端面制备了聚脲涂覆泡沫铝复合件,研究了聚脲涂覆方式对复合件准静态和动态压缩力学行为及吸能特性的影响规律,讨论了聚脲涂覆泡沫铝的变形失效特征。结果表明:聚脲涂覆泡沫铝应力-应变曲线的线弹性段和初始屈服平台段应变率敏感性较弱,致密化段具有显著应变率敏感性;在动态加载下,泡沫铝试件端面涂覆聚脲有助于缓解应力-应变曲线屈服平台段锯齿振荡现象,可以提升其致密应变对应的理想吸能效率值,尤其在背压面涂覆聚脲的泡沫铝试件的理想吸能效率值提升效果最明显;在准静态加载下,背压面涂覆聚脲的泡沫铝试件加载密实后仍呈“圆柱”状,变形较为均匀;在动态加载下,聚脲的涂覆可有效防止冲击荷载下泡沫铝碎片飞溅造成的危害。该研究可为聚脲涂覆泡沫铝复合板在军用方舱结构中的应用提供理论参考依据。

波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料结构准静态压缩吸能特性

随着车船运输量与日俱增,由此引发的车船撞击结构物的事故频发,造成严重的生命财产损失与结构破坏,亟需为桥梁等结构物设置防护吸能装置。该文提出了一种新型波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料吸能结构。该复合结构以聚氨酯泡沫为芯材,玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber reinforced polymer,简称GFRP)为面板,在波纹型泡沫的间隙铺设双轴向玻璃纤维布,利用真空导入工艺成型。通过波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料结构的准静态压缩试验,研究了波纹腹板与面板壁厚以及波长对夹芯结构破坏模式、承载能力以及吸能特性的影响。试验结果表明:腹板壁厚较大、波长较短的试件吸能效果最优。此外,对试验工况进行了有限元数值模拟,分析了腹板壁厚与泡沫密度因素对试件承载力的影响,为其在防撞领域的应用提供一定依据。

多孔地聚合物的制备及其吸能特性研究

以地聚合物为基体掺入多孔颗粒材料制备了多孔地聚合物(Porous Geopolymer,PG)。采用改进后的HYY系列电液伺服材料系统和经波形整形技术改进后的Φ100 mm SHPB试验装置分别开展了准静态压缩试验和冲击压缩试验,得到了应力应变曲线,并分析吸能特性。结果表明,改进后的吸能指标具有更高的科学性和合理性。分析PG在准静态条件和高应变率条件下的力学性能,其应力应变曲线都具有较长的应力屈服阶段,其理想吸能效率平均值分别为68%和64.3%,最大值分别为88%和83.1%,PG表现出优异的吸能性能,尤其是高应变率条件下表现更加突出,其原材料成本低廉、易于生产、结构型式简单,具有广阔的发展前景,尤其是在经受动载强烈的国防工程领域中。

负泊松比曲边内凹同心蜂窝结构冲击吸能特性研究

基于传统内凹六边形蜂窝,引入机械超材料设计理念构造了一种曲边内凹蜂窝结构,并结合仿生学原理,设计了双同心及三同心蜂窝结构.在不同冲击速度载荷下对各种蜂窝结构的变形模式和吸能特性进行了比对分析,结果表明:相比于单胞数蜂窝结构,多胞数同心蜂窝结构的变形模式存在差异,在低、中、高冲击速度下均具有更高的平台应力和比吸能,且随着同心胞数增加,抗压溃能力和吸能能力越强.结合功能梯度材料设计理念,构造了四种具有同心梯度的蜂窝结构,对其在低速下的变形模式和吸能效果进行了分析,发现同心梯度的分布顺序对蜂窝结构的变形模式和吸能特性影响较大,单向逆同心梯度设计的蜂窝结构表现出较好的能量吸收特性,通过同心梯度分布设计,能够调控蜂窝结构的变形模式和吸能效果.