增材制造点阵夹芯混合结构的振动特性

采用增材制造(additive anufacturing,AM)技术制备了钛合金点阵夹芯梁,使用硅橡胶作为阻尼材料对点阵空隙进行了填充。测试对比了有/无填充的点阵夹芯悬臂梁的模态振型,并对其进行了扫频振动激励。试验结果表明:填充阻尼材料不会改变结构振型,但可显著降低振动响应幅值。开展了硅橡胶的动态力学分析试验(dynamic mechanical analysis,DMA),结合广义麦克斯韦(generalized Maxwell model,GMM)粘弹性模型,标定了频域粘弹性模型参数。通过硅橡胶单轴拉伸试验标定了多项式型超弹性模型参数。基于粘超弹性模型及标定参数,对有填充的点阵夹芯悬臂梁进行了振动响应有限元模拟,与试验结果相符,证明本文采用的粘超弹性模型和其参数标定方法可有效用于混合结构的振动特性计算。

点阵夹芯圆柱壳自由振动分析的波有限元方法

针对点阵夹芯圆柱壳的自由振动分析发展了波有限元法.首先基于自由波的传播规律,建立了点阵夹芯圆柱壳胞元的二维波有限元控制方程,相比于全尺寸有限元模型,显著缩减了控制方程的自由度规模;其次,基于Neumann级数推导了约束动刚度矩阵求逆的显式表达式,不仅可以提高计算效率,而且使得固有频率从控制方程中分离出来,从而将点阵夹芯圆柱壳的固有频率求解转化为单个胞元自由度规模的二次特征值问题;最后,根据结构振动模态与自由波的关系,给出了圆柱壳轴向和周向的波传播参数的表达式,进而求得点阵夹芯圆柱壳的固有频率和模态.数值算例考虑了多种边界条件下的点阵夹芯圆柱壳自由振动问题,验证了该方法的正确性和高效性.

双三角点阵夹芯结构低速冲击下的动态响应与失效机制

采用非线性有限元仿真方法研究双三角点阵夹芯结构抗冲击性能,使用直径为16 mm的半球形冲击器以不同的冲击能量分别对夹芯板的节点和基底位置进行冲击,研究了点阵夹芯板的失效机理和动态响应,以及各个变量对夹芯板的抗冲击性能的影响规律。结果表明:双三角点阵夹芯结构的主要失效形式为面板的基体拉伸破裂;芯子的失效形式受自身结构和受力方式影响,主要为脆性坍塌断裂和塑性变形。载荷-时间曲线表明,冲头能量与冲击位置对夹芯板的损伤失效行为有着显著的影响。相同冲击能量下,与基底冲击相比,夹芯板在节点冲击时的损伤程度及载荷峰值都更优,抗冲击性能更加优异;高冲击能量下,节点冲击的吸能效果更优,但二者载荷变化趋势却越来越相似。

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。

基于高频动态响应的点阵夹芯结构损伤识别研究

针对点阵夹芯结构的脱焊损伤,提出了一种基于高频激励下结构ODS(operational deflection shapes)的损伤检测方法。ODS包含结构的整体动态响应特性,尤其是高频激励下损伤区域的局部振动信息。首先通过仿真计算出损伤局部区域的特征频率,选取合适的高频宽频带激励损伤结构。然后,采用压电片与扫描式激光测振仪结合,检测高频稳态信号激励下损伤结构的动态响应,综合考虑频段内多个频率下的ODS,由损伤成像中共振峰的位置,直接定位损伤。仿真与试验均验证了该方法识别损伤的有效性。

点阵夹芯结构非接触式损伤成像研究

针对点阵夹芯结构的脱焊等损伤问题,提出了基于高频动态响应的非接触式损伤成像技术,根据无基线损伤指标分析结构高频响应,实现脱焊损伤成像。数值仿真中,依据局部共振理论,以损伤区域低阶固有频率作为中心频率计算结构在声场激振下宽频段内振动响应,采用无基线损伤指标实现损伤成像,由损伤成像结果准确识别脱焊损伤位置;试验中,采用扬声器激振,扫描时激光测振系统进行全场振型拾取的非接触式试验测量方案,成功识别脱焊损伤的位置。验证了非接触式成像技术对点阵夹芯结构脱焊损伤检测的适用性与可行性,实现了无附加结构质量、无健康基准信号下的损伤识别。

新型CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性研究

点阵夹芯结构因其优异的力学性能、出色的能量吸收能力、独特的功能性,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而,传统点阵夹芯结构在面外压缩载荷下存在应力分布不均匀、节点应力集中等缺点。为了解决上述问题,该研究基于体心立方结构(body-centered cubic,BCC)提出了一种新型的余弦函数单元基(cosine function cell-base,CFCB)点阵结构。为了研究CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性,制备了CFCB点阵夹芯结构,开展了准静态压溃试验,并与BCC点阵夹芯结构的试验结果进行对比。结果表明,CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下的承载与能量吸收能力明显优于BCC点阵夹芯结构。随后,基于有限元模型,系统揭示了芯子单胞直径、幅值、周期长度等胞元参数及厚度方向上的单胞层数对CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下吸能特性的影响。相关研究成果有望为新型CFCB点阵夹芯结构设计提供参考。

点阵夹芯结构拱形防护门抗爆性能研究

传统钢制防护密闭门采用梁板式结构,存在门体笨重、结构形式单一的不足,在冲击波设计荷载作用后又存在开启困难、抢修不易的问题,因此提出一种采用金字塔型点阵夹芯的点阵拱形防护密闭门。采用有限元数值模拟方法,在忽略门框、铰页和闭锁的影响下,系统分析了前面板厚度、后面板厚度、点阵夹芯支撑杆尺寸等参数对防护性能的影响规律,给出最优设计方案。经核6级冲击波作用的验证,较传统的梁板式防护密闭门,点阵拱形防护门后面板位移较小,且其质量仅为梁板式防护密闭门的37.71%,防护性高、质量轻便,达到了设计目标。

新型四面体点阵夹芯结构汽车材料的隔振特性研究

为实现振动的高效抑制以及弥补现有声学超材料承载能力的不足,本研究利用四面体点阵夹芯板的高承载特性,在此基础上通过在夹芯层构造局域振子设计了兼具隔振和承载性能的新型声学超材料。通过基于弹性波动理论和带隙相关理论对新型点阵夹芯超材料的能带结构和有限周期结构的波传播特性进行了仿真分析,探究了超材料的带隙产生机理和振动衰减性能。研究结果表明:经过特殊设计的声学超材料能够实现全波带隙,在带隙范围内,波传播方向上的结构周期数越大,带隙频段内的弹性波衰减能力越强,弹性波会受到明显抑制,同时,阻尼具有削弱加速度响应峰值的作用,并且,其并不影响波衰减的频段,分析结果可为新型超轻多孔夹芯结构的减振降噪研究提供新思路,并推动其在板壳结构振动抑制领域的应用,实现车辆振动噪声控制技术的进步。

Kagome点阵夹芯板的抗冲击性能研究

Kagome点阵夹芯结构是近年来提出的一种力学性能十分优异的新型点阵夹芯结构。建立了3D-Kagome点阵夹芯板在理想冲击载荷作用下的分析模型,将含有大量周期性单胞的芯子等效为实体板,得到了Kagome芯子的等效本构关系,给出了芯子的等效强度和刚度。采用有限元方法模拟3D-Kagome夹芯板在理想冲击载荷作用下的响应,研究了板的最大挠度随芯子相对密度、芯子的厚度参数和冲击载荷大小的变化规律,得出了该结构抗冲击的最优化设计方案。与相同重量的实体板比较发现,3D-Kagome点阵夹芯板在抵抗冲击、能量吸收和耗散等方面具有很大的优势。

钛合金点阵夹芯结构弯曲性能

通过理论、试验、数值模拟3种方法研究3D打印钛合金金字塔型点阵夹芯结构在两端简支三点弯曲载荷下的响应,试验中通过裂纹观测仪监测加载过程。结果表明:在弯曲载荷下,夹芯结构损伤区域主要在弯矩最大中线处附近;试件首先在上面板出现塑性变形,随着第一层杆件的屈曲,载荷迅速下降。通过扫描电子显微镜(SEM)观测断口形貌,验证面板及杆件均为弯曲变形失效。基于ABAQUS软件,建立结点刚硬点阵夹芯结构有限元模型,对结构的渐进损伤过程进行预测,获得损伤起始位置、损伤扩展、破坏载荷及最终破坏模式等结果,模拟结果与试验结果吻合较好。通过有限元模型分析宽度方向不同单胞列数的影响,结果表明列数越多,边界影响越小,结构承载能力越强。

复合材料点阵夹芯结构的耦合换热及热应力分析

采用数值模拟对复合材料点阵夹芯结构的传导辐射耦合换热及其产生的热应力问题进行了研究。通过孔洞辐射的计算方式,分析了结构内部辐射对于传热机制的影响,并探讨了纤维柱及材料发射率等因素对辐射换热强弱的影响;最后,分析了结构在耦合换热作用下所产生的热变形和热应力。数值结果表明,当温度在350℃左右时,碳纤维点阵夹芯结构的辐射换热效果明显,且温度越高其差值越大;纤维柱对辐射换热的贡献不大;材料的表面发射率越大,夹芯结构的辐射换热能力越强。在上下面板固支情况下,热应力场主要分布于上面板及纤维柱与上面板相接触的根部,增强辐射换热,可减小根部的最大热应力。

基于逐层/实体元方法的金字塔型点阵夹芯结构静力和自由振动分析

基于逐层/实体元方法(Layerwise/Solid-Element,LW/SE),研究金字塔型点阵夹芯结构在不同边界条件下的静力与自由振动问题。首先,利用逐层理论和三维实体有限元法分别建立面板和芯体的控制方程,然后根据面板和芯体连接区域的位移协调和内力平衡条件,将面板和芯体的控制方程耦合为总体控制方程,得到点阵夹芯结构的平衡方程和自由振动方程。通过与三维弹性解对比,验证逐层/实体元方法在金字塔型点阵夹芯结构静力和自由振动分析问题上的正确性,并研究面板厚度对位移最大值和固有频率的影响规律。

蒙皮裂纹点阵夹芯梁振动特性分析及裂纹识别

主要研究了含蒙皮呼吸裂纹金字塔型点阵夹芯梁的振动特性。基于夹芯结构折线理论,考虑呼吸效应引起的刚度周期性变化,推导出系统的动力学方程。分析裂纹深度和裂纹位置对裂纹夹芯梁固有频率的影响,运用频率响应曲线、波形图和相图研究了裂纹参数对夹芯梁强迫振动响应的影响。研究结果显示,超谐共振响应对裂纹参数的变化较为敏感,可以利用其相图的几何特征识别裂纹参数。

低速冲击载荷下金属点阵夹芯板的动态响应分析

采用ANSYS/LS-DYNA商用有限元程序,首次比较了波纹夹芯板、方孔蜂窝夹芯板、三角形蜂窝夹芯板、金字塔夹芯板四种典型点阵金属夹芯板受刚性物块低速冲击时的动态行为,以考察点阵金属夹芯结构的动态响应及抗冲击性能。刚性物块的冲击速度范围取75~150m/s,对每种夹芯板选取芯体与上层面板的连接点及连接点之间的空隙两个典型位置进行了冲击模拟。经过分析得出了不同点阵夹芯板的变形机制和吸能特性。结果表明:在刚性物块的冲击过程中,密度大、强度高的面板(上层)主要发挥抗剪切作用,密度低、强度低的芯体主要是通过自身屈曲、起皱等变形消耗刚性物块的动能,抗剪切能力相对较差;在四种点阵夹芯板中,波纹夹芯板的最大挠度和变形区域都是最小的,表现出了最好的抗冲击性能。

多层梯度点阵夹芯结构抗爆性能研究

基于CONWEP对多层梯度点阵夹芯板在爆炸载荷下的动态响应进行了模拟研究。在相同爆炸载荷下,对四种梯度点阵模型的后面板中心挠度峰值进行了对比分析,讨论了各模型每层芯子的总变形能随相对密度比的变化规律,并对多层点阵夹芯板各层的变形情况进行了比较。分析结果表明:对于三层金字塔点阵夹芯结构,强弱相间的点阵夹芯板充分利用了前两层芯子的变形吸能,从而对第三层芯子和后面板起到了很好的保护作用;且在350g TNT炸药和200mm爆距的爆炸载荷下,相对密度比为0.5的强弱相间点阵夹芯板的后面板中心挠度峰值最小,抗爆冲击性能最优。

轻质点阵夹芯结构主动换热性能影响因素分析

针对点阵夹芯结构换热性能影响因素问题,采用翅片法推导四面体型点阵结构等热流密度和等壁面温度边界条件下的努塞尔数,以此表征结构的换热性能,并与实验结果进行对比。进而讨论结构支杆长度、支杆直径、导热系数和流动方向单胞个数对结构换热性能的影响,并比较相同孔隙率下四面体型、金字塔型和Kagome型点阵结构的换热性能。结果表明,点阵结构支杆长度和流动方向单胞个数对结构换热性能影响较大,Kagome型结构换热性能明显优于其他两类。

基于序列二次规划算法的点阵夹芯结构优化设计

为了研究夹芯单胞变化对结构承载能力的影响,建立了点阵夹芯结构的优化设计模型,以结构刚度最大为目标函数,考虑体积约束及单胞尺寸约束对夹芯单胞尺寸分布进行优化设计,并以四面体单胞夹芯结构的优化设计为例进行详细方法说明.采用序列二次规划法求解优化模型,完成了以结构刚度最大为目标的井字梁夹芯结构的优化设计,验证了模型、方法及优化效果.

复合材料点阵夹芯梁振动特性区间分析与优化

考虑到复合材料的分散性,研究了复合材料点阵夹芯梁的自由振动特性.将不确定参数用区间向量进行定量化,提出高精度的含不确定参数复合材料点阵夹芯梁固有频率的配点型区间分析方法,该方法无需不确定参数的概率信息,只需明确不确定参数所在范围界限,进而实现复合材料点阵夹芯梁结构的不确定优化.该方法为解决非线性现象突出的新型复合材料设计等复杂问题提供了一个可行途径.与概率方法相比,区间分析方法的结果表明该方法是可行的.与确定性优化方法相比,区间优化方法在复合材料结构优化领域能够充分考虑结构潜在不确定性带来的不利影响,工程指导意义更为明显.

生物质材料点阵夹芯胞元力学性能分析

研究生物质点阵夹芯胞元结构的力学性能,可以减少木建筑重量和降低木材使用量,对适应现代木结构建筑具有重要的现实意义。本研究通过对胞元结构进行力学建模,分析了芯子直径和长度对胞元承载能力的影响,并应用ANSYS有限元软件,仿真分析芯子直径和面板厚度2个因素对胞元受力的影响,依据胞元承载能力和变形程度,进行胞元结构的优选。最后依据优选的胞元结构,设计和制作不同类型的试件进行平压测试。结果表明,胞元平压状态下芯子是受力主体,芯子直径越大,胞元的平压能力越强,但平压性能并不是最优;面板材料对胞元承载力和吸能性有显著影响,生物质复合材料胞元的比强度高于自然纤维材料的比强度。该研究结果为木质复合材料在大跨度坡面屋等木结构建筑工程中的应用奠定了理论和实验基础,具有良好的应用价值。