新型梯度连续可控夹层板抗冲击性能研究及优化

研究了一种基于空间填充设计方法与二维泰森多边形方法的梯度连续可控夹层结构的设计方法.通过控制形核点的分布函数,实现夹层结构面内相对密度的径向梯度分布且环向均匀分布,进而对结构的抗冲击性能进行调控设计.利用6061O铝合金加工制备了不同面板厚度的梯度夹层板进行落锤冲击实验,并采用Abaqus/Explicit软件建立了三维有限元分析模型,实验结果和数值模拟结果有较好的一致性.通过实验观测与数值模拟得到梯度夹层板在低速局部冲击载荷作用下的变形机制,基于理想刚塑性金属材料本构建立了低速局部冲击载荷作用下面内梯度夹层板动态响应的理论分析模型,分析了面板与芯层的变形模式与吸能机理.对形核点分布函数特征参数进行了分析,得到了形核点分布函数对梯度夹层板抗冲击性能的影响规律,阐明了特征参数对力学性能的调控机制.以特征参数为设计变量,以低速局部冲击载荷作用下梯度夹层板的抗冲击性能为优化目标,建立多目标优化问题,利用试验设计方法、代理模型技术及多目标遗传算法求解得到Pareto解集,并利用最小距离选择法得到了综合最优解.验证了梯度连续可控夹层结构的设计方法是可行且有效的.

梯度铝蜂窝夹芯板的力学行为

梯度分层铝合金蜂窝板是一种有效的吸能结构,本工作在梯度铝蜂窝结构的基础上根据梯度率的概念,通过改变蜂窝芯层的胞壁长度,设计了4种质量相同、梯度率不同的铝蜂窝夹芯结构。通过准静态压缩实验,并结合非线性有限元模拟准静态及冲击态下梯度铝蜂窝夹芯结构的变形情况及其力学性能,分析对比了相同质量下梯度铝蜂窝夹芯结构在准静态下的变形模式以及冲击载荷下分层均质蜂窝结构和不同梯度率的分层梯度蜂窝结构的动态响应和能量吸收特性。结果表明:在准静态压缩过程中,铝蜂窝梯度夹芯板的变形具有明显的局部化特征,蜂窝芯的变形为低密度优先变形直至密实,层级之间的密实化应变差随芯层密度的增大而逐渐减小;在高速冲击下,梯度蜂窝板并非严格按照准静态过程中逐级变形直至密实,而是在锤头冲击惯性及芯层密度的相互作用下整体发生的线弹性变形、弹性屈曲、塑性坍塌及密实化;另外,在本工作所设计的梯度率中,当梯度率为γ_(1)=0.0276时,梯度蜂窝夹芯板的吸能性达到最好,相较于同等质量下的均质蜂窝夹芯板,能量吸收提高了10.63%。

梯度铝合金蜂窝夹芯板复合材料的力学响应

通过改变蜂窝芯层的胞壁长度,利用试验和有限元模拟相结合的方法研究了梯度蜂窝夹芯板在准静态及动态冲击条件下的面外压缩过程和力学响应,计算结果表明,在准静态压缩过程中,梯度铝合金蜂窝夹芯板从相对密度低的层级向相对密度高的层级逐级变形,相对密度越高的层级所产生的塑性铰越多。而在高速冲击下,梯度蜂窝夹芯板的变形主要受冲击惯性的影响,梯度蜂窝夹芯板的变形与准静态下蜂窝夹芯板的变形存在明显的不同。并且当梯度率为0.0276时,梯度蜂窝夹芯板的吸能性达到最好,相较于同等质量的均质蜂窝夹芯板,能量吸收提高了10.63%,因此,对蜂窝夹芯板进行梯度设计可以有效提高其能量吸收能力。

低速冲击下蜂窝夹芯板动态响应及梯度影响研究

利用INSTRON 9350冲击试验机开展了蜂窝夹芯板低速冲击实验,分析了蜂窝夹芯板的动态响应.利用ABAQUS建立了蜂窝夹芯板有限元模型,模拟了蜂窝夹芯板遭受质量块低速冲击的响应过程,并将数值仿真获得的动态响应与实验结果进行了对比,二者吻合较好,验证了数值仿真方法的准确性.在此基础上,利用数值仿真方法建立了梯度蜂窝夹芯板动态冲击有限元模型,分析了蜂窝梯度对夹芯板塑性变形及能量吸收的影响规律.结果表明:双层梯度蜂窝夹芯板各部分变形模式不同.上面板和上芯层主要为局部压缩,而中面板、下芯层和下面板主要为整体弯曲变形.在质量块局部冲击作用下,蜂窝梯度率对冲击力峰值和整体吸能影响较小,而对上、下面板的变形模式和能量吸收影响较大.

爆炸载荷下双层梯度夹芯板的抗爆性能

为了深入分析芯层尺寸参数对夹芯结构在爆炸载荷下抗爆性能的影响,在纤维增强三层蜂窝夹芯板基础上,采用实验和数值模拟方法,研究了纤维增强铝合金面板和铝合金蜂窝芯层复合而成的双层梯度夹芯板,在爆炸载荷作用下的动力响应。首先分析了实验中双层梯度夹芯板的变形失效模式:整体的塑性大变形,中心区域前面板的破坏及芯层压缩屈曲,中心区域前面板及芯层的贯穿失效;其次通过数值模拟手段在下芯层几何尺寸不改变的情况下,研究了上芯层孔边长和壁厚的变化对结构抗爆性能的影响。研究结果表明:保持结构质量一致的情况下,上下芯层孔边长一致的试件具有较好的抗爆性能;保持上下芯层孔边长一致的情况下,上下芯层相对密度比值在3∶1左右时,结构具有最优的抗爆性能。

重复爆炸荷载下双层蜂窝夹芯板的动力响应

本文采用数值模拟研究了重复爆炸载荷下双层蜂窝夹芯板的动态响应与能量吸收机理,分析了加载条件、前后面板厚度分布、芯层梯度对其变形模态和能量吸收的影响。单次、重复爆炸载荷下双层蜂窝夹芯板的变形模式以整体弯曲为主。芯层中心发生局部压缩,后面板变形区域由中心向边界扩展。第1次爆炸炸药质量为40 g,第2次爆炸炸药质量为20 g时夹芯板后面板中点挠度较小,芯层总吸能较高。前面板厚度0.4 mm,后面板厚度1.2 mm的夹芯板后面板中点挠度较大,总吸能最高;前面板厚度不变,后面板厚度越大,其后面板中点挠度越小,芯层总吸能越高,结构抗爆炸能力越强。3种梯度双层蜂窝夹芯板中,正梯度夹芯板后面板中点挠度最小,芯层总吸能较小;负梯度夹芯板后面板中点挠度较大,芯层总吸能较高。

金属梯度多孔夹芯板振动特性分析

金属梯度多孔材料芯层的胞孔壁厚度及半径沿芯层厚度方向逐渐变化,使得芯层的材料参数如密度和弹性模量等逐渐变化;采用金属梯度多孔材料代替传统均质多孔芯层会影响夹芯板的振动特性。基于高阶夹芯板理论且考虑梯度多孔芯层密度和弹性模量的耦合影响,建立了复合材料面层-金属梯度多孔夹芯板的振动方程。分析了3种密度的梯度芯层:单向分布、正梯度对称分布和负梯度对称分布对夹芯板固有频率的影响;最后讨论了3种梯度夹芯板在相同三角脉冲载荷作用下的振动响应。计算结果表明梯度芯层密度对称分布的夹芯板固有频率大于单向分布的夹芯板固有频率。