碳纤维增强环氧树脂基复合材料六边形多胞结构准静态压缩响应实验研究

为简化制作工艺,将碳纤维增强环氧树脂复合材料(CFRP)六边形管采用环氧树脂胶粘接在一起形成碳纤维增强环氧树脂复合材料六边形管多胞结构(Multicellular structure of CFRP hexagonal tubes,MSCHT)。通过对多胞结构进行准静态压缩试验,分析了其压缩破坏模式和耗能特性,并获取了各影响因素对压缩响应的贡献率。研究结果表明:多胞结构均呈现出渐进压缩破坏模式,沿着六边形管自由面形成带状纤维束;相邻碳管间的相互作用和粘接面的存在导致多胞结构的实际平均载荷高于其比测值,进而使得实际耗能量高于耗能量比测值;与单根六边形碳管相比,MSCHT的比吸能更高,并且存在最优壁厚使得结构比吸能最大,本次试验试件的最大比吸能达到114.4 kJ/kg;多胞结构的胞元数量和壁厚对平均压缩载荷、峰值载荷、耗能量的线性贡献率均为正且胞元数量贡献率高于壁厚,而壁厚对比吸能的线性贡献率为负,胞元数量对比吸能的贡献率为正。

粘接条件对碳纤维增强复合材料四边形多胞结构耗能特性的影响

为研究多胞结构胞元间的粘接条件对结构耗能特性的影响,将碳纤维增强环氧树脂复合材料方管采用环氧树脂胶以不同粘接条件粘接在一起形成多胞结构,并进行了准静态压缩试验,分析了不同粘接条件下多胞结构的压缩破坏模式和耗能特性。研究结果表明:胞元间采用侧面粘接或底部粘接的方法可提高多胞结构的耗能特性;粘接底部比侧面粘接对多胞结构的耗能量和压缩载荷的影响更大;完全粘接试件的平均压缩载荷、耗能量和比吸能均最大。对于三胞结构而言,品字型三胞结构的耗能特性比L型三胞结构耗能特性更优。

正六边形玻璃纤维多胞结构面外准静态压缩试验

本工作提出几种正六边形玻璃纤维多胞结构,采用热压模具工艺制备多胞结构试件,利用万能试验机对其进行面外准静态压缩试验,分析了不同壁厚的多胞结构破坏模式和吸能特性。试验结果表明:准静态压缩过程中,多胞结构壁厚较小时表现为局部屈曲破坏模式,壁厚不小于0.8 mm时,表现为渐进破坏模式;与相对平均压缩载荷相比,五种壁厚的多胞结构试件的实际平均压缩载荷均有显著提高,且实际平均压缩载荷随着胞元数量和胞元壁厚增加而增大;比吸能随胞元壁厚增加而增大,且胞元壁厚从0.6 mm增加到0.8 mm时,多胞结构由局部屈曲破坏模式转变为渐进破坏模式,比吸能显著提高,可提升5.62~9.74 J/g。

连续碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管多胞结构的准静态压缩响应

由纤维增强复合材料制作而成的多胞结构具有优异的吸能特性,在耗能缓冲领域具有广阔的应用前景。为简化制作工艺,提出将碳纤维增强环氧树脂复合材料圆形管采用环氧树脂胶粘结在一起形成碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管多胞结构。通过对多胞结构进行准静态压缩试验,分析其压缩破坏模式和耗能特性。研究结果表明:该多胞结构呈现出渐进压缩破坏,当碳纤维管壁厚大于0.5 mm时会出现胶结面开裂;由于相邻碳纤维管阻碍了纤维束的扩展,导致压缩载荷增大,使多胞结构的实际平均载荷高于理论平均载荷,同时引起实际耗能量高于理论耗能量;与单根碳纤维管相比,多胞结构的比吸能更高,试件的最大比吸能达到82 J/g,比吸能增长比最高达到37.9%。

诱导分布对高速列车多胞结构耐撞性的影响

通过在高速列车端部吸能结构的不同区域加入诱导孔,研究不同位置的开孔方案对多胞结构的吸能特性影响。通过有限元软件LS-DYNA建立开孔结构的有限元模型,并在冲击试验数据中验证该模型的有效性,然后,分别在结构内侧、中部和外侧3个位置布置诱导孔,诱导孔类型有4孔和8孔2种,共形成6种不同诱导结构,研究结构耐撞性随位置变化的规律,并通过复杂比例评价决策方法,选择其中耐撞性最佳的开孔结构。研究结果表明:在多胞结构中加入诱导结构能够有效提高结构的褶皱数量,而在内侧加入诱导孔对于提高褶皱数量的效果好于在结构外侧加入诱导孔产生的效果,在内侧开孔能够提高结构整体的褶皱数量,而在外侧开孔能够提高部分相邻胞壁的褶皱数量,但可能会对原本规则变形的胞壁造成一定影响;在外侧加入诱导孔会使结构的峰值力更低,力波动更平稳,但会使结构出现整体屈曲变形;在内侧加入诱导孔能提升更多的吸能量和比吸能;最优开孔结构的初始峰值力降低14.20%,压溃力效率提高20.63%。

基于多胞结构的车身前端轻量化和耐撞性设计

为满足车身轻量化和耐撞性设计的要求,采用材料替换与结构改进相结合的方法对前端进行优化。基于试验验证的整车正面碰撞模型,建立了铝制前端模型并与钢制设计方案进行了耐撞性对比。为提高铝制前端耐撞性能,设计了不同胞数的多胞构型截面,并在三点弯曲和轴向压溃工况下分析其吸能特性。运用多目标优化方法对多胞前端的结构参数进行寻优。结果表明,优化后的铝制多胞结构能在改善整车耐撞性的同时,显著减轻前端质量。

多胞结构在汽车前纵梁中的应用研究

为研究多胞结构在汽车前纵梁中的应用对整车碰撞安全性能的影响,根据中国新车评价规程C-NCAP相关要求,先后建立了采用单胞结构和多胞结构前纵梁的整车正碰有限元模型,经求解计算,分析、比较了两种形式下的碰撞安全性,研究结果表明,相比于单胞结构,多胞结构在汽车前纵梁中的应用更有利于提高整车正碰安全性能。

基于三维多胞结构的汽车吸能盒优化设计

为改善汽车吸能盒在低速碰撞情况下的力学表现,将一种新型具有负泊松比效应的多胞结构设计为汽车前纵梁的吸能盒.通过对新型负泊松比多胞结构形状参数的研究,确立了多胞结构中特定的元胞几何参数及元胞层数作为优化变量,结构质量以及所吸收的能量作为优化目标.首先通过最优拉丁超立方的方法在变量空间内进行样本点的选取并采用ABAQUS进行有限元仿真计算,然后由Isight软件根据样本点的计算结果对优化变量与优化目标建立三阶响应面模型,最终采用NCGA对响应面模型进行优化.将优化结果进行RCAR(Research Council for Automobile Repairs)标准模型仿真计算,结果验证了这一新型负泊松比吸能盒可以在较小的质量下满足RCAR低速碰撞标准.

正六边形玻璃纤维增强复合材料多胞结构准静态压缩试验研究

本工作以正六边形玻璃纤维增强复合材料多胞结构为研究对象,对两种壁厚的正六边形玻璃纤维多胞结构管进行准静态压缩试验,分析了多胞结构管的失效模式和吸能特性。结果表明:在准静态压缩过程中,多胞结构及单胞管均表现为渐进破坏模式,单胞管在壁厚中间产生层间裂纹,裂纹不断扩展使胞元各边产生分层现象,外层向外卷曲扩展,内层向内卷曲扩展且相互挤压形成块状碎屑堆积在管孔,多胞结构管非粘接面在胞元壁厚中间分层,粘接面发生不同程度的脱粘开裂,并向粘接面两侧卷曲,粘接面的相邻面分层后,外层在向外卷曲扩展并相互挤压而发生一定角度的扭曲;多胞结构胞元数量和胞元壁厚对试件的压缩性能和吸能特性有显著影响,不同厚度的多胞结构在压缩过程中,几种多胞结构的实际平均载荷相比相对平均载荷提高了35.7%~77.5%;多胞结构的比吸能和胞元壁厚呈正相关,与胞元数量无明显相关性,本试验最小比吸能为42.5 J/g,最大比吸能为70.9 J/g。

低强度胶粘接的玻璃纤维多胞结构准静态压缩试验研究

模压成型工艺制备正六边形玻璃纤维管件,采用低强度胶(3MDP460)环氧树脂胶粘接成多胞结构试件,用万能试验机对其进行准静态压缩试验,分析了其压缩破坏模式和吸能特性。试验结果表明:准静态压缩过程中,玻璃纤维管件出现外翻、倾斜、脱粘、纤维断裂的破坏形式及各种破坏形式的复合,随着厚度增加,试件还出现分层现象;加载过程中,试件普遍出现脱粘现象,实际平均压缩载荷普遍小于理论平均压缩载荷,但仍能观察到平均压缩载荷及峰值载荷随着胞元数量增加而增大,随胞元壁厚增加而增大;本试验最小比吸能为8.11 J·g^(-1),最大比吸能为32.27 J·g^(-1),且比吸能随壁厚增加而增加,与胞元数量无明显相关性。

表面纳米化吸能薄壁多胞结构的数值模拟与设计

采用局部表面纳米化技术和数值模拟方法,对金属薄壁多胞结构的吸能问题开展有限元数值分析和优化设计。结果显示,局部表面纳米化布局可诱导结构的屈曲变形,并能大幅度提高结构的能量吸收。优化结果还发现,在多胞外壁呈交错矩形格状表面纳米化格局和内附加结构呈均布框架式矩形格状表面纳米化布局情况下,结构屈曲变形稳定且吸能效果最优。该研究为吸能结构的设计提供了依据。

数据驱动的指定变形非均质多胞结构优化设计

针对包含大量异质微结构的非均质多胞结构设计难题,提出了可指定结构变形方式的多胞结构宏微观优化设计方法。该方法在宏观结构设计中采用梯度类方法优化属性分布,引入可行性约束保证微结构确实存在,在微结构设计中引入数据驱动的方法,利用深度学习实现微结构逆向设计并映射到宏观结构,同时采用微结构偏移和兼容性算法解决相邻微结构连接不兼容的问题,最终通过指定变形问题的多个数值算例验证了该方法的有效性,并讨论了单元尺寸、微结构偏移次数以及微结构映射密度对结构性能的影响。建立的多胞结构设计方法引入数据驱动方法和考虑了微结构连接兼容性要求,成功实现多样化指定变形的非均质多胞结构优化设计。

仿生双菱形肋边多胞薄壁结构的耐撞性能研究

为提高汽车吸能盒结构耐撞性,受毛竹微观结构启发,提出3种不同的仿生双菱形肋边多胞薄壁结构。建立仿生双菱形肋边多胞薄壁结构的有限元模型,通过有限元仿真对比研究仿生双菱形肋边多胞薄壁结构与传统八边形多胞薄壁结构的耐撞性。分析双菱形肋边布置方式、内层壁厚等因素对新型薄壁结构吸能特性和变形模式的影响。结果表明,与传统八边形多胞薄壁结构相比,仿生双菱形肋边多胞薄壁结构的吸能特性有了明显的提升;双菱形肋边布置方式和内外层壁厚对结构吸能特性均有一定影响;随着内层壁厚的增加,结构最大峰值力减小,但总能量吸收和比吸能减少,载荷平稳度降低。仿生双菱形肋边多胞薄壁结构能有效降低乘员在汽车正面碰撞中所受的伤害,可应用到新能源汽车吸能盒的设计开发中。

多胞复合型声学结构吸声性能研究

针对一种多胞复合型吸声结构进行声学性能研究,其具有吸声频带宽、声学性能突出、设计自由度高的特点。利用马氏理论和Delany-Bazley模型分别构建微穿孔板和多孔性吸声材料层,通过传递矩阵法和声电类比等效电路法建立平行排列的多胞复合型声学结构理论模型,利用有限元法构建阻抗管仿真模型并对多胞复合型声学结构进行声学分析。对比理论计算结果和仿真试验数据,发现两者具有较好的拟合度。研究表明:多胞复合型吸声结构在全频率段内具有较好的吸声性能,通过调整各吸声单元的设计参数和变量,例如排列组合方式、微穿孔板的穿孔率以及微穿孔板后空气层厚度等,可以对不同频率段内的噪声进行有效吸收。

爆炸载荷下多胞元液舱结构的防护效能研究

为探究多胞元液舱结构对爆炸载荷的防护效能,提出了内凹多胞元液舱结构,建立了常规液舱结构、内凹多胞元液舱结构的三维数值模拟模型,比较了两类结构在不同强度的爆炸载荷作用下的响应和防护特性,讨论了充液方式变化对多胞元液舱结构抗爆效能的影响。结果表明:在爆炸载荷作用下,完全充液液舱结构的前、后面板均呈现出与爆轰方向一致的弯曲变形,其余外侧面板呈现出向结构外部的弯曲变形,部分充液液舱结构的变形形貌与充液位置有关;在对结构进行完全充液时,内凹多胞元液舱结构的抗爆效能优于常规液舱结构;在对结构进行部分充液时,于近爆端进行部分充液的内凹多胞元液舱结构的抗爆效能优于常规液舱结构,于远爆端进行部分充液的内凹多胞元液舱结构的抗爆效能劣于常规液舱结构。

高速列车前端多胞吸能结构的耐撞性优化

为设计具有良好耐撞性能的高速列车前端多胞吸能结构,基于显式动力学有限元软件LS-DYNA,建立此吸能结构的有限元模型。通过台车碰撞试验验证了有限元模型的准确性,结合验证的有限元模型与全因子试验设计,构造了吸能结构的比吸能SEA和撞击平台力关于设计参数单元胞边长和壁厚的Kriging代理模型,并进行了误差分析,采用多目标粒子群优化算法,对多胞吸能结构的截面尺寸和厚度进行了优化设计。结果表明,壁厚比单元胞边长对多胞吸能结构耐撞性影响更显著,通过合理匹配壁厚和边长,能有效提高撞击平台力和比吸能。

CFRP多胞结构吸能机制及多工况耐撞性设计

将轻质高强的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)应用到多胞结构设计中,有望进一步提升CFRP薄壁结构的耐撞性能及吸能效率。为了研究CFRP多胞结构在多角度加载工况作用下的能量吸收机制及耐撞性能,采用机织平纹CFRP预浸料制备CFRP单胞管以及2个不同规格的CFRP多胞管,并通过调整壁厚使所有结构的质量保持相等;随后,对上述3个试样开展准静态轴向压溃试验,通过试验揭示CFRP多胞管的耐撞性能。此外,建立CFRP多胞管的有限元模型,采用数值仿真的方法揭示多胞管的能量吸收机制,并基于试验验证的有限元模型进一步分析9种不同规格的CFRP多胞结构在多种加载角度下的压溃性能。最后,采用多指标评价方法(COPRAS)对不同构型的多胞管在多种压溃角度下的耐撞性能进行综合评价。试验结果表明:单胞管发生了不稳定的局部屈曲,多胞管发生了稳定的渐进失效,并且在等质量的条件下,多胞管的总吸能比单胞管的总吸能高约68%。仿真结果表明:层内损伤是CFRP多胞管以及单胞管的主要吸能机制,其能量耗散值约占总能量的50%;且随着加载角度的增加,各结构的总吸能逐渐下降,但各吸能机制所耗散能量的占比变化不大,增加胞数以及内壁胞壁的厚度均能小幅度提升多胞管的能量吸收特性。综合耐撞性评价结果表明:试样MT3-4[胞数为9,内部胞壁厚度b为1.1780 mm(5层),外部胞壁厚度c为0.2356 mm(1层)]在多种压溃角度下具有更好的综合耐撞性能。

基于球体堆积模型设计的多胞薄壁结构抗冲击性能研究

多胞薄壁结构具有优异的缓冲吸能特性被广泛应用于国防工业中的抗冲击结构设计,本文基于体心立方堆积模式的启发,对体心立方结构进行了一系列的改造增强(增加肋板、改变混合结构、改变连接管角度),通过实验和数值模拟研究了模型形态、模型壁厚、连接管角度、冲击速度对其能量吸收和变形模式的影响.结果表明:在球体中心添加连接肋的结构及体心立方和简单立方相结合的结构其比吸能和平均压溃载荷相较于普通结构分别增长了24%~38%和71%~90%,改造的结构使其拥有更好的承载和能量吸收能力;结构中添加外层球壳结构可以阻碍连接管的破坏坍塌,从而获得更高的能量吸收效率,连接管的角度也会对结构的承载能力造成一定的影响;连接管角度较小时该结构的吸能特性较好,并且连接管吸能特性对速度的变化并不敏感,其他结构组件的吸能特性会随着速度的增大而增大.

多弧段曲边内凹蜂窝可调泊松比结构的力学性能研究

该文提出一种多弧段曲边内凹可调泊松比新型胞元。通过调整弧角,可以设计得到正泊松比、零泊松比和负泊松比的胞元结构。利用能量法求得结构的等效泊松比与等效弹性模量解析表达式,所得结果与有限元结果吻合较好。基于提出的新型胞元构建多胞蜂窝结构,利用数值方法讨论了低速和高速冲击作用下,正泊松比、零泊松比和负泊松比结构的冲击变形失效行为与单位质量能量吸收率。研究发现:低速冲击时,三种泊松比(正/零/负)结构的局部变形不同;高速冲击时,惯性效应使局部变形集中在冲击端,三种泊松比(正/零/负)结构的胞元变形模式不同。不论低速还是高速冲击,负泊松比结构都表现出优异的吸能效果。随着壁厚的增加,结构的吸能效果显著增强。

多胞鞋底结构性能分析及胞元参数影响

结合现有传统鞋底方案及多胞结构特征,设计了菱形和正六边形两种多胞结构的鞋底方案,并用有限元法对不同鞋底的静力学性能进行分析,得出最优的鞋底结构方案。结果表明,同一工况下正六边形多胞鞋底结构平均变形量最大,减振缓冲性能最优越。同时,对正六边形多胞尺寸参数进行影响分析,得出当正六边形边长5 mm,凹槽深度为2.5 mm时,鞋底结构具有最佳的缓冲性能。