选区激光熔化成形的316L不锈钢点阵夹层结构的力学性能和能量吸收性能研究

目的以选区激光熔化(SLM)成形的316L不锈钢点阵夹层结构为研究对象,研究单一、混合芯层对点阵夹层结构力学性能和能量吸收性能的影响,为轻质高强耐撞点阵夹层结构提供设计依据。方法通过SLM成形技术,以316L不锈钢粉末为原材料,制备点阵夹层结构,利用扫描电镜对SLM成形的点阵夹层结构几何结构特征进行观察,利用准静态压缩实验对点阵夹层结构的力学性能和能量吸收性能进行研究。结果在选定的SLM成形工艺参数下,SLM成形的点阵夹层结构芯层的连接杆表面存在一定的粗糙度且斜向连接杆的表面粗糙度比竖直连接杆的表面粗糙度大。在SLM成形的点阵夹层结构中,混合点阵夹层结构BFB和FBF的弹性模量分别为2525.7 MPa和2493.8 MPa,屈服强度分别为36.3 MPa和38.3 MPa,能量吸收分别为16 J和17.2 J,比吸能分别为1.21 J/g和1.36 J/g,其弹性模量、屈服强度、能量吸收和比吸能均优于单一BCCZ点阵夹层结构的。在准静态压缩过程中,BFB和FBF这2种混合点阵结构芯层的变形模式不同于单一BCCZ点阵结构芯层的。结论与单一点阵夹层结构相比,2层BCCZ布置在中心、2层FCCZ位于上下面板旁边的FBF混合点阵夹层结构的能量吸收性能有所提高。

主动冷却复合点阵夹层结构的热-流-固多场耦合响应

采用数值方法研究了冷却流体主动换热作用下复合点阵夹层结构的热-流-固多场耦合问题,探究了夹层结构冷却系统内流动场、温度场对结构弯曲变形的响应,揭示了冷却流体流经弯曲变形结构的热传输特性、压降损失特性以及换热综合性能,阐明了夹层结构内的局部流动特性和主动换热机理。研究表明,主动冷却复合点阵夹层结构可有效实现承载-热控一体化,内凹弯曲变形能有效提升结构热控效果。

芯体截面梯度变化的点阵夹层结构吸能特性研究

应用有限元分析方法,对芯杆直径沿点阵夹层结构厚度方向梯度变化的点阵夹层结构平压性能进行了分析,并将计算结果与传统点阵夹层结构进行了对比。结果表明:通过比较极限承载力计算模型和有限元分析结果其最大误差为8.9%,芯体截面梯度变化的点阵夹层结构极限承载力小于传统点阵夹层结构。芯体截面梯度变化的点阵夹层结构面比吸能和圧溃载荷率要优于传统点阵夹层结构,且当梯度化系数为0.05时,芯体截面梯度变化的点阵夹层结构面比吸能和圧溃载荷率达到最大值。

点阵金属夹层结构抗侵彻实验研究

通过弹道冲击实验方法研究了两种点阵金属夹层防护结构的抗弹丸侵彻能力,结合失效破坏模式和吸能效率,综合分析了点阵金属夹层防护结构的抗侵彻机理。实验结果初步表明:球形弹丸侵彻过程中,由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形,使得该型防护结构的抗弹能力得到了大幅度提高。同样侵彻速度条件下,Type Ⅱ型夹层防护结构的吸收能量较Type Ⅰ型夹层防护结构高,但它们的单位面密度吸收能量相差不大。研究结果可以为轻质复合装甲的防护设计提供参考。

面外载荷下含孔复合材料点阵夹层结构弯曲强度数值计算方法

通过实验手段和有限元方法针对含孔碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)点阵夹层结构在面外载荷作用下的失效模式及其影响因素进行了研究。首先通过实验获得了含孔CFRP点阵夹层结构的失效模式,其次建立了其有限元渐进损伤失效分析模型,基于该模型对开孔形状、开孔率及开孔位置对结构弯曲强度的影响进行了探讨。结果表明,当面板较厚时,含孔CFRP点阵夹层结构的主要失效模式为节点脱粘和面板皱曲;有限元计算结果和实验结果吻合较好,极限承载力的误差约为9.1%;当开孔率φ<1.3%时,CFRP点阵夹层结构的弯曲承载能力与开孔形状基本无关;当开孔率1.3%≤φ<8.5%时,含圆形孔夹层结构的弯曲承载能力较大;当开孔率φ>8.5%时,含方孔夹层结构的弯曲承载能力较大;当开孔位于点阵夹层结构的几何中心或边缘时,对弯曲承载能力影响较大。

含孔复合材料点阵夹层结构数值计算方法及其影响因素

针对含孔复合材料点阵夹层结构在面内压缩载荷作用下的失效模式及其影响因素问题,通过实验对含孔复合材料点阵夹层结构失效模式进行了研究;基于3D Hashin准则和Chang-Chang刚度退化准则建立了含孔复合材料点阵夹层结构有限元渐进损伤失效分析模型,并将计算结果与实验结果进行了对比;基于有限元分析方法探讨了开孔形状、开孔率以及开孔位置对其极限承载力的影响。结果表明:当点阵夹层结构面板厚度较大时,含孔复合材料点阵夹层结构的主要失效模式为面板圧溃;通过对比有限元计算结果和实验结果,极限承载力的最大误差约为12%,失效位置与实验结果一致;当点阵夹层结构的对称面与载荷方向平行且孔的中心在对称面上时,面内压缩强度与开孔位置无关,主要受到开孔形状和开孔率的影响;当点阵夹层结构对称面与载荷方向垂直且孔的中心在对称面上时,边距大于一个胞元,面内压缩强度基本不变,边距小于一个胞元,面内压缩强度下降。

陶瓷棒填充点阵金属夹层结构的制备及抗侵彻实验

为提高轻量化复合装甲的抗侵彻能力,提出了内部填充陶瓷棒并由混杂短切玻璃纤维的环氧树脂封装的点阵金属夹层防护结构。首先,通过弹道冲击实验研究了陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的抗弹丸侵彻能力;然后,结合失效模式和吸能效率,综合分析了该夹层防护结构的抗侵彻机制。结果表明:陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的主要失效模式包括点阵金属结构和混杂填充材料的拉伸断裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破坏以及背板的总体弯曲变形。在球形弹丸侵彻过程中,由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形,防护结构的抗侵彻能力得到大幅提高。研究结果可为新型轻质复合装甲的防护设计提供一定参考。

弹头形态对点阵金属陶瓷夹层结构侵彻效能的影响

提出了一种由金字塔型点阵金属骨架、陶瓷棒、环氧树脂胶结剂、金属面板及背板所组成的复合材料结构模型。基于有限元法,在实验验证数值方法有效性的基础上,模拟研究了该型复合结构对三类钢制弹丸(平头、球头和锥头)的抗侵彻机制。对比分析了弹靶模型各子结构的失效模式、吸能效率、弹丸的塑性变形、弹道特性、速度及加速度等变化规律。结果表明:弹头形态对复合靶板的破坏形态和吸能特性有较大影响,平头弹丸和球头弹丸对靶板主要产生冲塞破坏,达到峰值加速度的时间较短;而锥头弹丸主要表现为刺穿扩孔型破坏,达到峰值加速度的时间较长,侵彻效能最高。在弹体高速侵彻靶板的过程中,由于金属骨架的剪切扩孔和塑性变形、陶瓷棒的断裂破坏以及金属面板与背板的塑性变形,使得该型防护结构的抗侵彻能力得到了显著提高。

新型点阵夹层防撞梁与负泊松比吸能盒复合总成开发与吸能性能

为高效解决车身结构抗撞性和轻量化同步实现的难题,以乘用车前防撞梁与吸能盒为例,将点阵夹层结构与负泊松比结构用于其设计,并考察新型复合总成的吸能性能。以传统高强钢方案作为对标基准,获取待开发总成的性能设计依据。基于高强钢总成40%重合率碰撞试验,完成有限元模型的精度验证,进而获得全宽碰撞的结构响应特征及吸能参考数值,用于指导新型总成的开发。通过数值模拟算例,分析新型复合总成对冲击输入能量的适应性及吸能量对负泊松比吸能盒壁厚的敏感性,从而提出增加吸能盒封板与防撞梁支撑的改进方案。改进后的点阵夹层防撞梁具有更佳的承载刚度与载荷传递能力,总成变形模式愈加合理;改进前、改进方案1与改进方案2的总成吸能量分别占输入总能量的11.5%、68.2%与92.76%,高于高强钢方案的64.09%;改进方案2较高强钢方案减重32.9%。复合前防撞总成的台车试验与仿真结果对比显示:输入能量、碰撞初速度、总成吸能量、平均压溃量、平均碰撞力与回弹速度等指标的偏差绝对值均小于5%。结果表明:采用点阵夹层结构与负泊松比结构后,新型复合总成的吸能性能与轻量化水平均优于高强钢方案,2类结构适合于车辆承载与吸能结构,复合总成的设计方法与开发流程适用于相关新型结构的开发。

砰击载荷下金字塔点阵夹层板动力响应分析与估算

该文以轻质金字塔点阵夹层平板结构为对象,对其在不同撞水速度下(1m/s^6m/s)的流-固耦合动力学行为进行数值和理论计算分析。首先建立了气-液-固三相数值模型,通过详细计算获得了砰击压力的分布特征与结构砰击变形特征,分析表明当砰击压力脉宽和结构自振周期(湿模态)之比大于4时流-固耦合效应不显著。与同等质量实体板相比,轻质金字塔点阵夹层平板平均流-固砰击压力与结构最大变形均显著降低,而且存在"局部气垫"现象(在实体平板撞水的过程中未发现该效应)。提出一种将砰击变形位移场分解为总体变形和局部变形,然后进行叠加的计算模型,该种工程近似计算方法获得的变形估算值与数值计算结果吻合较好。