增材制造BCCZ点阵夹芯梁结构的自由振动分析

通过理论、有限元和试验方法研究了悬臂边界条件下BCCZ(体心立方点阵边界添加Z向杆件增强构型)点阵夹芯梁结构的振动行为。基于哈密顿原理和“改进折线”法,获得其振动频率理论模型。并使用SLM(选择性激光熔融)技术和钛合金TC4材料制备了BCCZ点阵夹芯梁试件,进行了模态试验,有限元和试验验证了理论模型的准确性。然后研究了胞元直径、面板厚度和芯子高度等结构几何参数和材料性能对BCCZ点阵结构振动性能的影响规律。结果表明:减小胞元直径,减小面板厚度,提高芯子高度均可以提高BCCZ点阵夹芯梁结构的一阶固有频率参数(一阶固有频率与同质量同面板面积的实体结构之比),胞元直径的影响最明显。面板-芯子-面板材料组合为钛-铝-钛时一阶固有频率最高。研究结果对BCCZ点阵夹芯结构的设计及工程应用具有一定的指导意义。

泡沫金属夹芯梁在低速重复冲击下的塑性响应分析

本文利用INSTRON 9350冲击试验机进行泡沫铝夹芯梁重复冲击实验,分析泡沫铝夹芯梁的变形和能量吸收特性。同时,基于刚塑性假设建立理论模型,分析泡沫铝夹芯梁在重复冲击作用下的刚塑性动力响应,获得夹芯梁最终挠度的内外屈服面解,并将理论方法获得的结果与试验结果进行对比。研究结果表明:泡沫铝夹芯梁变形呈线性分布,最终挠度随冲击次数的增加而不断增加,而增长速率则逐渐减小;随着冲击次数的增加,夹芯梁每次冲击塑性能耗散不断减小,而弹性能则不断增加;理论方法获得的最终挠度与试验结果吻合较好,验证了理论模型可以较好地预测重复冲击作用下泡沫铝夹芯梁塑性响应。本文的研究成果可为泡沫铝夹芯梁抗重复冲击结构设计提供参考依据与理论分析方法。

夹芯梁在重物低速冲击下的动力计算分析

研究了夹芯梁在重物低速冲击下的动力计算问题。在考虑夹芯梁面板弯曲应力对夹芯梁的影响基础上,推导出了夹芯梁剪应力表达式。利用能量原理求得了夹芯梁在重物低速冲击下的动载荷系数,讨论分析了夹芯梁折减质量对动载荷系数的影响。算例分析表明,利用能量法求得的夹芯梁抗弯刚度、弯曲挠度与有关文献试验结果比较吻合。

三跨点阵桁架夹芯梁结构主动振动控制

利用压电作动器/传感器,对三跨沙漏型点阵桁架夹芯梁进行主动振动控制。基于哈密顿原理建立三跨点阵夹芯梁理论模型,采用假设模态法和标准特征值法完成夹芯梁的动力学分析;并利用有限元法建立仿真模型,验证理论结果的有效性和正确性。此外,用压电材料研究主动振动控制方法对多跨夹芯梁的有效性,其中传感器和作动器分别粘贴在夹芯梁上下表面处。该方法对多跨夹芯梁结构的振动控制有一定指导意义。

撞击载荷下泡沫铝夹芯梁的塑性动力响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支泡沫铝夹芯梁和等质量实体梁的塑性动力响应。采用激光测速装置和位移传感器测量了泡沫子弹的撞击速度和后面板中心点的位移-时间曲线,研究了加载冲量、面板厚度和芯层厚度对夹芯梁抗冲击性能的影响。给出了泡沫铝夹芯梁的变形与失效模式,实验结果表明结构响应对夹芯结构配置比较敏感,后面板中心点的残余变形与加载冲量、面板厚度呈线性关系。与等质量实体梁的比较表明,泡沫铝夹芯梁具有更好的抗冲击能力。实验结果对多孔金属夹芯结构的优化设计具有一定的参考价值。

钢质蜂窝夹芯梁高温疲劳试验及寿命预测研究

针对实际工程中钢质蜂窝夹芯结构在热环境下的疲劳耐久性及寿命问题,开展了400℃下的三点弯曲疲劳试验研究,得到S-N曲线.基于刚度退化,提出一种用于该类材料在高温下的疲劳寿命预测模型和损伤演化模型.该方法允许预测不同载荷水平下的疲劳寿命,避免了大量重复性疲劳试验.应用于模型的参数与材料性质、高温等试验条件有关.借助简单模型,完成了钢质蜂窝梁高温寿命预测及损伤演化预测,预测值与试验值吻合较好.

泡沫填充波纹夹芯梁的面内压缩破坏模式分析

为了提高波纹夹芯结构作为高铁车厢或油罐车罐体容器外壳在面内压缩载荷下的结构稳定性,提出了在波纹芯体空隙中填充聚酯泡沫的设想,理论研究了泡沫填充波纹夹芯梁的面内压缩破坏行为,同时对面内压缩破坏进行了数值有限元验证。泡沫填充波纹夹芯梁面内压缩下的主要破坏模式为宏观弹塑性屈曲、面板弹塑性起皱2种模式。结合宏观尺度上芯体的均匀化等效弹性常数,建立宏观屈曲破坏的理论模型;将泡沫等效为Winkler弹性基,建立面板起皱破坏的理论模型。对304不锈钢波纹夹芯板和Rohacell 51泡沫填充材料,构建结构的破坏模式图,有限元计算结果从破坏模式和临界载荷2个方面验证了理论预测的可靠性。在此基础上,对泡沫填充波纹夹芯结构进行质量最小优化设计,获得结构的最优化几何尺寸。综合考虑承载、能量吸收、减振、隔热等多功能特性,相较于空心波纹夹芯结构和金字塔点阵夹芯结构,泡沫填充波纹复合结构具有潜在的重要工程应用价值。

泡沫铝夹芯梁抗爆性能的数值模拟分析

运用有限元软件LS-DYNA分析重量相同的2种材料梁在爆炸荷载作用下的动力响应,其中一种由304#不锈钢面板与泡沫铝芯材复合而成的夹芯梁,另一种由304#不锈钢单一材料制成的实体梁。对比了相同重量2种梁在跨中位移的变化情况,并将泡沫铝夹芯梁的计算结果与文献实验数据作了对比分析。结果显示,在冲量分别为1.83 kNs/m2、3.77 kNs/m2、6.08 kNs/m2及7.0 kNs/m2动荷载作用下,304#不锈钢实体梁的跨中位移分别是304#不锈钢面板泡沫铝夹芯梁跨中位移的1.1倍、1.35倍、1.26倍及1.14倍。由此可知,相同重量304#不锈钢面板泡沫铝夹芯梁较304#不锈钢实体梁具有更好抵抗爆炸荷载作用的能力。

泡沫金属夹芯梁在重复冲击下的动态响应

为了研究重复冲击载荷作用下泡沫金属夹芯梁的动态响应,采用Abaqus数值仿真软件,基于可压碎泡沫模型(crushable foam),建立了泡沫金属夹芯梁遭受楔形质量块冲击的有限元模型。通过将仿真获得的夹芯梁上下面板最终挠度与重复冲击实验结果进行对比,验证仿真方法的准确性。在此基础之上,分析了泡沫金属夹芯梁在楔形质量块重复冲击作用下的变形模式、加卸载过程以及能量耗散特性。结果表明,在重复冲击载荷作用下,夹芯梁的变形不断累积,上面板主要出现局部凹陷和整体弯曲,而芯层则是局部压缩,下面板表现为整体弯曲。在重复加卸载过程中,加卸载刚度随着冲击次数的增加而增大。随着冲击次数的增加,上面板和芯层的能量吸收增量不断减小,而下面板的能量吸收增量不断增加,且最终均趋于稳定。泡沫金属夹芯梁的塑性变形能增量不断减小,而回弹系数随着冲击次数逐渐增加,最后趋于稳定值。

两端固支泡沫铝夹芯梁在冲击荷载作用下的动力响应

提出两端固支泡沫铝夹芯梁在跨中受到冲击荷载作用下动力响应的简化理论计算方法。运用该方法及有限元软件LS-DYNA分别计算了泡沫铝夹芯梁在冲击荷载作用下的动力响应,着重考查了面板材料及芯材厚度对泡沫铝夹芯梁跨中位移的影响情况。并通过试验测量结果对理论计算结果及数值模拟结果进行了验证。研究显示,在不同冲量作用下,泡沫铝夹芯梁跨中位移理论值与实验结果两者符合程度较好,最大误差仅为14%;HRB335级钢面板泡沫铝夹芯梁较304#不锈钢面板泡沫铝夹芯梁在相同冲量作用下具有更小的跨中位移;芯材厚度的增加对提高泡沫铝夹芯梁抵抗冲击荷载的性能也有一定的贡献,夹芯梁芯材厚度由10mm增加至20mm,其跨中位移减小了33%左右。

含分层缺陷复合材料夹芯梁力学特性及失效模式的试验研究

为研究分层缺陷对复合材料夹层结构承载特性的影响,对含面芯分层缺陷的复合材料夹芯梁开展了系列轴向压缩试验,采用高速摄影仪记录结构的变形形态及破坏过程,对结构出现的欧拉屈曲、剪切屈曲、局部面板褶皱、纤维压缩破坏等失效模式进行分析,并探讨了梁长度、表层厚度、芯层厚度、缺陷尺寸等参数对结构承载特性的影响。试验结果表明:表层厚度对结构的失效模式及承载能力有着直接影响;对于贯穿型矩形缺陷,当缺陷因子μ≥0.05时,结构发生局部屈曲失效;局部屈曲为非稳态失效,当面板出现局部褶皱后,面芯分层缺陷迅速沿轴向向两端扩展,扩展路径可由面芯界面层进入芯层,造成芯层的剪切破坏。

铝泡沫复合材料夹芯梁的弯曲性能

设计并采用热压罐方法生产了由复合材料面板和铝泡沫芯子组成的复合材料夹芯梁,对其在简支边界条件和三点弯曲受载下的失效模式及弯曲刚度进行了实验研究。研究发现:与其他3种常见的金属泡沫芯子金属面板夹芯结构相比,自行设计的面板为层合板的金属泡沫复合材料夹芯结构具有较高的弯曲比刚度、明显的重量优势及可设计性。

不锈钢面板与铝面板泡沫铝夹芯梁的抗爆性能

为考查泡沫铝夹芯梁的抗爆性能及面板材料对其抗爆性能的影响，采用数值模拟方法分析了面板材料分别为工业纯铝与304号不锈钢，芯材为Alporas泡沫铝共同组成相同质量泡沫铝夹芯梁在不同爆炸荷载作用下的跨中位移与芯材压缩应变的差异。研究结果显示：在爆炸冲量分别为1．82，3．77，6．08，7．0kN·s的作用下，工业纯铝面板泡沫铝夹芯梁跨中位移分别为304号不锈钢面板泡沫铝夹芯梁跨中位移的68％，83％，84％及86％，较304号不锈钢面板泡沫铝夹芯梁具有更好地抵抗爆炸冲击波的能力，面板材料对泡沫铝夹芯梁的压缩应变影响较小。

考虑横截面塑性区域扩展的竹木复合夹芯梁弯曲变形的理论研究

简述了竹木复合梁的研究现状,研究了竹木复合夹芯梁弯曲变形的破坏过程,运用理想弹塑性材料应力演化规律将横截面塑性区域的扩展过程分成了4个阶段,以平面假设为基础建立了竹木复合夹芯梁强度预测的理论模型。并通过对实例的计算,分析了夹芯梁弯曲变形过程中不同时刻横截面的弯矩与最大应力之间的关系。以此模型为基础计算的3点弯曲夹芯梁各阶段的跨中挠度理论值与试验结果具有较好的一致性,最大误差不超过6%。

用能量法研究夹芯梁的弯曲挠度计算

推导出了外载荷作用下夹芯梁截面剪切力表达式,利用夹芯梁截面应力表达式写出了夹芯梁弯曲时的应变能函数,把应变能函数对集中力求偏导即可得到集中力作用处夹芯梁的弯曲挠度。研究结果表明:能量法求得弯曲挠度的计算精度较高,与有关文献的试验结果吻合得较好。

金属泡沫夹芯梁的压入力学行为(英文)

研究集中载荷作用下金属泡沫夹芯梁的准静态压入力学行为。考虑到夹芯梁表板弯曲和拉伸的相互作用,提出了一个金属泡沫夹芯梁局部压入大挠度变形行为的新理论模型,并详细讨论芯材剪切对局部压入行为的影响。为了验证理论模型的有效性,对夹芯梁的局部压入行为进行有限元数值模拟,理论预测结果与有限元模拟结果吻合得很好。结果表明:当压入挠度超过夹芯梁表板厚度后,塑性膜力控制着夹芯梁的局部压入行为。

泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁动态三点弯曲试验研究

通过三点弯曲冲击试验测试了泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁的动态力学性能,研究了这种复合夹芯梁的破坏形态、荷载-时间曲线和能量-时间曲线。分析了不同冲击速度和芯层厚度对冲击荷载和吸能量的影响,与传统蒙皮夹芯梁和纯泡沫铝梁进行了比较。结果表明,在试验设定的参数范围内,这种复合夹芯梁表现了较好的整体性。冲击速度和芯层厚度对其动态力学性能有明显的影响,随着冲击速度的增加,夹芯梁的冲击承载力逐渐增加,但冲击速度较大时复合夹芯梁会表现出一定脆性破坏,导致吸能能力降低。随着夹芯梁芯层厚度的增加,冲击承载力与吸能能力逐渐增加。与传统夹芯板和纯泡沫铝梁相比,其冲击承载力和吸能能力明显提高,说明这种泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁具有良好的动态力学性能。

夹芯梁结构分析的Fourier级数求解

夹芯梁具有重量轻，强度、刚度和稳定性好的优点．在现代复合材料结构中应用广泛．常用的夹芯结构分析理论有Ｒｅｉｓｓｎｅｒ理论和Ｈｏｆｆ理论．前者把表板视为薄膜求解．后者计及了表板自身弯曲刚度的影响，即把表板视为弹性薄板求解．Ｆｏｕｒｉｅｒ级数在匀质材料杆、板、壳经典理论中有重要应用．本文在此基础上．导出了Ｒｅｉｓｓｎｅｒ理论和Ｈｏｆｆ理论下的Ｆｏｕｒｉｅｒ级数求解通用方程。具有应用方便，能适用多种边界和复杂载荷作用夹芯梁分析的特点。

由夹芯梁弯曲谈剪切效应对许用弯矩的影响

利用弹性体轴向位移、横向位移与剪应变的几何关系,推导出了夹芯梁的弯曲正应力公式,并利用该式确定了夹芯梁的许用弯矩,从而克服了有关材料力学教材计算许用弯矩时,没有考虑剪切效应的不足。算例分析表明:该弯曲正应力公式计算精度较高;夹芯梁弯曲时,剪切效应对许用弯矩有一定影响。该结论对材料力学关于夹芯梁计算内容的教学有一定启发和指导作用。

关于夹芯梁四点弯曲试验的计算分析

在材料力学推导出的矩形截面梁剪应力公式基础上,利用夹芯梁轴向位移,弯曲挠度与剪切应变的几何关系,推导出了夹芯梁截面弯曲应力及弯曲挠度表达式,弹性理论及有关试验结果都证明了该方法的计算精确度较高。理论计算分析表明:外载荷作用下夹芯梁四点弯曲时,在外载荷作用处夹芯梁面板与芯材结合部位应采用强度理论进行校核;均布载荷作用下剪切变形对梁的弯曲正应力及挠度都有影响;集中力作用下剪切变形仅对梁弯曲挠度有影响,而对梁的弯曲正应力没有影响。该结论对材料力学关于夹芯梁四点弯曲试验内容的教学有一定启发和指导作用。