考虑纵径向热应变的竖向受荷能量桩简化分析方法

为探究温度对能量桩荷载传递机理及相关力学响应的影响,引入平面瞬态温度场方程,将温度场与应力场解耦。基于平面应力模型,将能量桩与桩周土考虑为具有协调变形的整体,计算了径向热应力。在此基础上,将其与双曲线荷载传递模型结合,对桩土界面处的极限摩阻力进行修正。将纵向热应变考虑在竖向荷载传递方程中,得到可同时衡量纵向和径向热效应的竖向受荷能量桩承载特性分析方法。利用增量法对能量桩荷载传递控制方程进行求解,得到桩身轴力、桩侧阻力、桩身位移等相关力学响应。通过与既有文献进行对比,验证了该模型的合理性。通过参数分析,研究了温度和竖向力作用下能量桩的荷载传递特性。结果表明:温度会改变能量桩的荷载传递特性,提高能量桩的运行温度可小幅增加其承载力。该文方法的计算流程清晰,可为能量桩的设计提供参考。

基于响应面法的自冲铆-粘接复合接头强度预测

为建立可快速预测铆接参数对自冲铆-粘接复合接头力学性能影响的模型,基于响应面法对AA5182、AA5052和AL1420三种铝合金板材开展了自冲铆-粘接复合连接工艺实验研究。以板材硬度、胶层厚度及刺穿压强为自变量,失效载荷值和能量吸收值为响应值,建立各因素与优化目标的响应面回归模型,并通过实验验证模型的可靠性。研究结果表明:该回归模型预测结果值与实验结果误差小于10%,即模型显著性较高,可用来预测自冲铆-粘接复合接头的静力学性能。在单因素作用下,失效载荷值受各因素影响顺序为:板材硬度>刺穿压强>胶层厚度,各因素对能量吸收值影响情况为:板材硬度>胶层厚度>刺穿压强。板材硬度对失效载荷值与能量吸收值的影响最为显著,并且随板材硬度的增加,两者皆呈先增加后减小的变化趋势。在交互作用下,板材硬度和胶层厚度对失效载荷值影响最大,刺穿压强与胶层厚度对能量吸收值影响最显著。通过对模型预测结果分析可得:在确保接头质量的情况下,适当增大刺穿压强可有效提高接头能量吸收值。使用粘接剂时,胶层厚度须控制在0.5~0.9 mm才能与其余两因素相互配合,达到最好的铆接效果。

横向冲击载荷下泡沫铝夹芯双圆管的吸能研究

采用数值模拟的方法研究了在横向冲击载荷作用下,泡沫铝夹芯双圆管结构的变形模态与吸能性能。分析了泡沫铝夹芯双圆管结构的几何参数、芯层材料的相对密度与冲击速度对其力学行为的影响。结果表明:冲击初始时刻,夹芯双圆管的冲击端由于塑性变形而吸收了大部分能量,之后主要依靠左右两端的弯曲变形来吸收能量;横向冲击载荷作用下,泡沫铝夹芯双圆管的比吸能随着外管直径与内管壁厚的增加或者泡沫铝芯层厚度的增加而增加;而随着外管壁厚与内管直径的增加,泡沫铝夹芯双圆管的比吸能减小;冲击速度小于30 m/s时,夹芯双圆管呈上下、左右对称的变形模态;大于此速度时,呈左右对称的变形模态,夹芯双圆管的比吸能随着冲击速度的增大而增大;芯层材料的相对密度越大,夹芯双圆管结构的比吸能也越大。

超大轴向冲击载荷下六边形蜂窝铝结构的吸能特性优化研究

针对60 MN超大力值拉向叠加式力标准机断裂保护装置的选型问题,以蜂窝铝为吸能件,对其在超大冲击能量下的吸能效率进行了研究。利用ABAQUS/Explicit对不同结构参数的蜂窝铝吸能结构进行了数值模拟,通过对比不同壁厚和六边形边长下蜂窝铝的平均载荷、峰值载荷和比吸能,得出了其吸能效率的变化规律;利用响应面优化方法,以壁厚和六边形边长为设计变量,建立了因变量的回归方程,采用遗传算法对其进行了优化设计;最后对优化结果进行了仿真验证。研究结果表明:随着壁厚增加以及小六边形尺寸减小,吸能件的各项指标都得到了改善;当蜂窝铝小六边形长边长为7.75 mm,壁厚为0.66 mm时有最优解;优化结果显示其各项指标误差值均控制在5%以内,该分析方法可为60 MN大型拉向叠加式力标准机缓冲装置的选型提供参考。

高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理

建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合模拟方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明:夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦因数对夹芯梁的动态响应无显著影响。

动/静荷载作用纤维-矿粉-聚苯乙烯混凝土吸能特征研究

地下空间工程常受动载作用后变形破坏,防护结构吸收动力能量可降低其破坏程度,然而有效吸收冲击能量的吸能混凝土材料及其力学性能仍不清晰。基于响应面法中心优化组合原理,采用动/静载联合同步声发射(AE)监测试验方法,借助高精度微观电镜断口形貌扫描技术(SEM),研究聚苯乙烯泡沫(EPS)、矿粉(SP)、玄武岩纤维(BF)关键因子影响混凝土变形的能量蚕食过程,分析玄武岩纤维-矿粉-聚苯乙烯泡沫(BF-SP-EPS)与水泥基体桥连作用关系,得到动/静载荷作用下BF-SP-EPS混凝土微观吸能规律。研究结果表明,EPS颗粒改变混凝土孔隙结构分布状态,动/静载荷作用下BF-SP-EPS混凝土破坏模式均表现为由脆性破坏转向延性破坏,呈现出破碎压密和能量蚕食耗散特征,大幅度提高了变形韧性量,为能量吸收提供有效变形空间;BF-SP-EPS与水泥基体桥连作用对混凝土吸能性能提升显著,与未掺量同类混凝土相比吸能量达71 J,冲击吸收能量提升50%;建立渴求函数优化模型,得到以抗压性能和吸收能为响应目标的最优化BF-SP-EPS配比为:33.7vol%、17wt%、0.13vol%,并采用相同条件试验方法测试验证优化配比的正确性,研究结果为地下空间工程结构吸能防护安全提供有力理论依据。

基于响应面法的钢铝压印-粘接复合接头强度预测

为建立工艺参数及其交互作用对接头强度影响的预测模型,采用响应面法对DP590热轧双相钢和AA5052铝合金板材开展了压印-粘接复合连接工艺试验研究。以胶层厚度、冲压力和凹模深度为影响因素,接头失效载荷和能量吸收值为响应值,建立了钢铝压印-粘接复合接头强度预测的回归模型。结果表明,模型预测结果与试验结果误差小于10%,该模型拟合程度较高,可用于钢铝压印-粘接复合接头强度预测。方差分析表明,单因素对失效载荷和能量吸收值的影响从大到小的顺序一致,均为凹模深度>胶层厚度>冲压力,冲压力与凹模深度的交互作用对失效载荷影响最大,胶层厚度与凹模深度的交互作用对能量吸收值影响最大。通过分析模型预测结果可得,在一定范围内,增加凹模深度可以提高失效载荷和能量吸收值,在实际应用中,增加凹模深度、增加冲压力和加入粘结剂均可以提高接头强度。

泡沫铝填充金属薄壁圆管的实验和理论研究

利用实验研究与理论分析相结合的方法研究了泡沫铝填充金属薄壁圆管在准静态侧向压缩下的力学响应.基于能量法,建立了泡沫铝填充圆管和金属薄壁圆管在侧向均匀压缩时的瞬时侧向力、平均侧向力和总吸能的理论公式.对泡沫铝填充管与金属薄壁圆管进行了准静态侧向压缩实验,并且将实验结果与理论公式进行了对比,结果表明理论预测值与实验结果吻合较好.基于建立的理论分析模型,研究了管的几何尺寸以及泡沫铝材料的密度对结构的瞬时侧向力、平均侧向力、总吸能和比吸能的影响.结果表明,在准静态侧向压缩下,泡沫铝填充管的总吸能大于对应的金属薄壁圆管;泡沫铝填充管的侧向压缩力和总吸能随管长度、壁厚和直径的增加而增大;当填充材料泡沫铝密度增大时,填充管的总吸能与侧向压缩力均增加.

轻质泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能研究

通过实验研究和有限元模拟,重点关注了泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能和能量吸收机理.给出了爆炸载荷下泡沫金属夹芯壳结构的典型动力失效模式,分析了关键几何拓扑参量对其抗爆炸冲击性能的影响规律,模拟了爆炸载荷下夹芯壳结构的整个塑性动力响应过程,讨论了夹芯壳结构各组成部件的能量耗散分配机制.结果表明,夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能可以通过优化承载范围和结构配置而提高;夹芯壳结构的能量吸收能力与其失效机制相关,且泡沫金属芯层的贡献最大.研究结果可为强动载荷服役条件下泡沫金属夹芯复合结构的防护要求及优化设计提供技术支持.