7075-T6铝合金在Taylor冲击实验中的宏观力学响应及细观结构演化

将实验和晶体塑性有限元(CPFEM)方法相结合,研究了7075-T6铝合金在Taylor冲击实验中的宏观力学响应以及其细观结构的演化。使用电子背散射衍射技术(EBSD)对实验前7075-T6铝合金的细观结构进行表征。通过修改强化模型和流动准则在CPFEM模型中引入位错密度作为内部状态变量,并结合动态压缩实验得到的应力-应变曲线确定7075-T6铝合金相关的模型参数。结果表明:考虑位错密度的CPFEM模型可有效地描述7075-T6铝合金在不同速度Taylor冲击实验中的宏观和微观力学响应。与实验结果对比,CPFEM模型合理地预测了冲击后子弹的外部轮廓变化,其预测的撞击面半径和子弹剩余长度与实验结果误差均在10%以内。此外,CPFEM模型预测7075-T6铝合金冲击后的织构演化同动态冲击后结果大致相同,均表现为生成了较多的R-Cube织构和Goss织构,而Cube织构和Cu织构大量减少。随着冲击速度的增加,R-Cube织构、S织构的体积分数逐渐增大,Cube织构、Cu织构和Brass的体积分数逐渐减少。同时,CPFEM模型预测到撞击后子弹颈缩段的产生。随着冲击速度的增加,子弹的对数应变和位错密度均有上升,最大值均出现在撞击面;在同一速度下,撞击面上外表面处平均位错密度的值小于轴心处的值。

表面带金属层的复合材料层合板低速冲击数值模拟

使用Abaqus/Explicit建立表面带金属层的复合材料层合板和复合材料裸板低速冲击有限元模型,与已有文献对比验证结果的可靠性,研究结果对复合抗弹结构有很好的借鉴和参考价值。采用Johnson⁃Cook本构关系模拟铝合金和钛合金层的力学行为,选用Hashin准则对复合材料层内损伤进行失效判断,用二次应力准则来模拟粘结层Cohesive单元的层间失效。结果表明,相同铺层与冲击能量下,表面带铝合金层合板对内部纤维的保护性能优于表面带钛合金层合板,表面带钛合金层合板的抗冲击性能优于复合材料裸板;[§/0°/90°/0°/90°/0°]s铺层层合板的抗冲击性能优于[§/-45°/90°/0°/45°/-45°]s铺层层合板的抗冲击性能;在子弹刚冲破层合板与子弹完全离开层合板阶段,表面带铝合金层合板对子弹动能吸收率最大。

超材料混凝土的带隙特征及对冲击波的衰减效应

借鉴超材料的研究思路,在混凝土中引入谐振骨料,设计出具有消波特性的超材料混凝土。首先,通过结构动力学方法计算超材料混凝土的有效质量,从而建立了超材料混凝土带隙起始频率及截止频率的简化模型,并给出了带隙起始频率及截止频率的理论表达式。然后,分析了涂层弹性模量、芯柱密度、基体密度、骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比对超材料混凝土带隙特征的影响。最后,采用数值模拟的方法,对比了超材料混凝土和普通混凝土对冲击波的衰减效应。研究结果表明:(1)低弹性模量涂层能够形成低频带隙,但带隙宽度较窄,而高弹性模量涂层能够形成较宽的带隙,但带隙起始频率较高;(2)通过选择高密度芯柱材料和低密度基体材料,可以得到低频、宽带隙特征;(3)通过增大骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比可以实现扩宽带隙的目的;(4)与普通混凝土相比,超材料混凝土对冲击波具有更好的衰减作用。

材料三维微结构表征及其晶体塑性有限元模拟

材料的力学性能,尤其是在有限变形下所呈现的宏观各向异性,是材料结构设计和服役寿命考虑的关键因素。由于宏观模型不能较好地反映材料微观结构(晶粒的形貌和取向等)对宏观塑性各向异性的影响,因此,本文建立了能实际反映晶粒形貌的三维Voronoi模型,并基于晶体塑性理论对铝合金在有限变形下的响应进行计算。首先,建立反映材料微结构的代表性体积单元RVE模型进行计算,并与实验结果进行对比验证。然后,以单向拉伸为例,分析了有限变形过程中试件的晶粒形貌和取向分布等微观因素对宏观各向异性演化的影响,并从材料和结构两个层面讨论了微观结构对宏观力学性能的影响。结果表明,本文模型能够反映微观结构对宏观力学性能的影响,为实际生产制造领域构件的力学性能提供可靠的预测。

复合材料蜂窝夹芯结构的三点弯曲性能

通过三点弯曲试验研究了纤维增强复合材料铝蜂窝夹芯结构的力学性能。分析了不同面板类型(碳纤维面板、玻璃纤维面板、碳纤维/玻璃纤维面板)以及面板厚度和芯体孔径大小对结构破坏模式、极限载荷和能量吸收的影响。结果表明,碳纤维/铝蜂窝夹芯结构相较于其他两种结构,其极限载荷和能量吸收更强;面板越厚,芯体孔径越小,结构的极限载荷和能量吸收越强;面板厚度对于能量吸收影响较大,芯体孔径对极限载荷影响较大。对碳纤维/铝蜂窝夹芯结构进行有限元模拟,对其破坏变形过程进行对比分析后,验证了模型的有效性,为试验的设计和分析提供了指导与帮助。

DP980与DP780双相钢帽型梁轴向冲击实验对比

作为汽车及航空工业中主要承载和碰撞吸能部件,帽型薄壁梁可通过自身结构塑性变形实现被动吸能。因此,研究帽型薄壁梁结构在冲击载荷作用下的变形模式和吸能特性对其被动安全设计具有重要的意义。分别对DP980和DP780双相钢帽型薄壁梁结构开展了落锤轴向冲击实验,并对其变形位移、峰值载荷、变形模态和能量吸收能力进行分析。研究结果表明:无论是DP980还是DP780帽型梁试件,在受到冲击载荷作用时,均从试件上部发生塑性屈曲变形并形成褶皱,其下部则无明显变形;DP980帽型梁冲击变形更小,残余高度更高,宜作为抗冲击变形防护结构;DP780帽型梁最终屈曲变形产生褶皱更多,冲击载荷作用时间增加,峰值载荷更低,宜作为抗冲击载荷防护结构。综合考虑吸能效果,DP980帽型梁的能量吸收能力与DP780帽型梁相近,研究结果为冲击防护结构的选材提供依据。

透明陶瓷夹层结构冲击响应及BP神经网络预测

首先,选择以蓝宝石陶瓷为迎弹层、二氧化硅无机玻璃和聚碳酸酯有机玻璃为吸能层和聚氨酯为胶结材料的透明夹层结构为研究对象,采用一级轻气炮对试样进行了冲击实验,试样呈现陶瓷层弯曲失效破坏主导和冲击压缩破坏主导的2种破坏模式,通过高速摄像详细记录裂纹动态扩展过程。然后,采用Abaqus有限元软件对多组结构层厚度配比的透明夹层结构进行120、150、180 m/s速度的弹体冲击模拟,针对陶瓷材料引入了基于JH-2本构模型的子程序,并结合单元删除法,对裂纹扩展和碎片飞溅过程进行了数值模拟。模拟结果与实验结果吻合较好。最后,采用BP神经网络算法对冲击点后侧位移峰值进行了预测,单层和多层神经网络模型平均计算耗时分别为1和3 min,与位移峰值的数值模拟结果相比,2种神经网络模型预测结果的平均相对误差分别为7.6%和3.2%。该BP神经网络模型计算时效和精度都满足要求,相比传统消耗5 h的有限元计算,节省大量时间,可对透明夹层结构的设计提供指导。

基于路径线法的泡沫材料冲击特性探讨

将泡沫材料动态特性的数值模拟结合路径线法验证结果,对实验过程中量计线的区域布置、量计线间距大小,以及有效分区等方面进行研究。结果表明,当计量线区域设计为距离撞击端30mm,且较小的计量线间距(2mm)及较多的有效分区(7个),可以提高路径线法实验的精度;用该方法获得泡沫材料不同于其准静态条件下的高应变率动态响应曲线,证明泡沫材料是一种应变率敏感的材料。该研究结论对采用路径线法研究泡沫材料的动态响应具有重要的指导意义。

改善钢铁材料摩擦学行为的表面织构研究现状

钢铁材料广泛应用于诸多工程领域,但其耐磨性差,源于材料表面的摩擦会引起磨损损伤、阻力大、噪声污染等问题,从而导致材料损伤或失效,影响部件局部或整体的正常使用。在材料表面形成表面织构可有效实现减摩/抗磨、减阻、降噪的效果,从而达到改善钢铁材料摩擦学行为的目的。综述了表面织构在改善钢铁材料摩擦学行为方面的研究现状,对钢铁材料表面减摩/抗磨、减阻和降噪表面织构的设计与研究进行了分析与比较,简要阐述了相关机理。干摩擦和润滑条件下,表面织构通过发挥捕捉磨屑、储存润滑剂、流体动压润滑的作用来实现减摩/抗磨;与流体和空气摩擦时,表面织构通过产生二次涡达到减小表面与流体/空气接触面积等作用实现减阻和降噪。最后,展望了能够改善钢铁材料摩擦学行为的表面织构的相关研究思路和方法。

冲击载荷下矿用移动式救生舱动态响应的数值模拟

矿用救生舱作为煤矿井下重要的逃生装备,舱体的抗爆炸冲击性能直接决定矿工的生命安全。为了评估某型移动式救生舱的动强度,建立舱体在瓦斯爆炸载荷作用下的全尺寸有限元模型,采用ABAQUS动态显式算法对舱体的整体和局部动态响应进行了分析,按照国家暂行规定获得了舱体正面和侧面承受最大峰值压力分别为0.72 MPa和0.36 MPa,研究结果为舱体的改进设计和安全使用提供科学依据。

金属圆柱壳受大质量低速冲击的屈曲变形

对钢质和铜质金属圆柱壳的轴向冲击动力响应进行了实验研究,记录了两种不同材料圆柱壳在大质量低速冲击下的冲击力时程曲线,得到其屈曲模态。采用高速摄像及模拟技术给出了钢质圆柱壳渐进屈曲的全过程,为理解钢质圆柱壳的屈曲机理提供了直观的结果。黄铜质圆柱壳在大质量低速冲击下,出现整个壳面滿布屈曲波纹的塑性动力屈曲现象,说明高速冲击不是产生塑性动力屈曲的充要条件。像铜这样具有高密度的韧性材料,在大质量低速冲击下,会在轴向产生持续的压缩塑性流作用而出现塑性动力屈曲现象。

微爆索切割航空有机玻璃板实验研究

采用六硝基芪Ⅱ(HNSⅡ)微爆索切割航空有机玻璃(PMMA)板。在改进的实验装置上,针对3种不同长度的PMMA板材,在3种不同温度下,完成了45次微爆索爆炸切割PMMA板实验,研究温度、尺寸和边界约束对切割效果的影响。实验结果表明,在所研究的范围内,温度、尺寸和边界约束条件对爆炸切割PMMA板的效果影响甚微,可以忽略不计。因此,元件的实验参数和结果,可以直接用来指导真实件实验,为弹射救生系统的设计和改进提供科学依据。

砌体单片墙结构的平面内静力与动力性能分析

利用LS-DYNA建立了砌体单片墙的离散化有限元模型,对砌体单片墙在面内荷载作用下的静、动力学性能进行了数值仿真分析;在数值分析过程中使用接触算法代替砂浆模拟砌块之间的粘结作用,获得了面内荷载作用下墙体的荷载-位移曲线。由结果可知,在单调荷载作用下,其载荷-位移曲线可分为四个阶段,分别为弹性阶段、塑性阶段、"强化"阶段、承载力下降阶段。并对竖向压力对单片墙抗剪承载力的影响作了讨论,得出在循环往复荷载作用下,载荷-位移曲线呈现梭形或捏拢形骨架曲线,解释了滞回曲线在每个循环过程的变化规律以及开洞对墙体滞回性能的影响,得出砌体单墙在面内方向有良好的变形和耗能能力。

拉伸载荷下含孔复合材料层合板的力学性能及失效机理

采用有限元软件ABAQUS,基于前人提出的失效准则,通过引入纤维损伤因子和基体损伤因子并编制用户材料子程序UMAT,建立了含孔复合材料层合板的三维渐进损伤破坏模型。利用该损伤破坏模型,研究了在轴向拉伸载荷作用下不同圆孔直径和铺层角度的复合材料层合板的纤维和基体的渐进损伤失效过程及规律。结果表明:不同铺层角度条件下,纤维和基体的损伤失效差别较大;圆孔直径和铺设角度对含孔复合材料层合板的失效破坏载荷的影响十分显著,而铺设顺序和开孔位置对失效破坏载荷的影响较小。建立的失效破坏模型能有效地分析层合板的渐进失效破坏过程,为层合板的工程应用和设计提供有益的参考。

截面几何参数对帽型梁轴向冲击响应的影响

帽型梁结构作为汽车前纵梁主要部件,其轴向冲击变形模式和吸能特性是汽车被动安全设计的主要参考指标。为此,对带有倒角的帽型梁进行了初始能量为17.8kJ的落锤轴向冲击实验和数值模拟。保持梁结构的质量不变,对不带倒角和直角弯折的两种截面梁进行同等条件的数值模拟,在一定范围内探讨截面几何参数对帽型梁的变形模式、变形量、吸能总量、峰值载荷、平均碰撞载荷和碰撞力效率的影响。结果表明:对于带有倒角的帽型梁,其变形模式和变形量的计算结果与实验结果基本吻合,验证了计算模型的合理性;倒角的存在使结构变形模式从非紧凑型向紧凑型转变,提高了缓冲效果,降低了峰值载荷;弯折角度由93°变为90°时,对变形模式的影响较小,非直角弯折梁的吸能效果较直角弯折梁好。因此,截面几何参数对帽型梁结构的变形模式和吸能特性有一定影响。

工业辐照放射源运输货包事故条件下冲击试验的数值模拟

为验证放射性物质运输货包结构设计的安全性,建立了事故条件下货包自由下落冲击刚性靶面的全尺寸有限元模型。采用非线性动力显式算法,对货包在事故条件下以顶角、侧面和顶面3种姿态冲击刚性靶的力学试验进行了数值模拟,重点分析了货包冲击后的整体变形和应力分布,以及连接螺栓的强度;在3种跌落姿态下,容器内壳应力最大值为154.9MPa,容器外壳等效塑性应变最大值为0.24。依据货包安全设计准则,容器内壳与外壳的应力应变强度均未超出许用值。研究获得了货包结构的冲击强度和变形,预测了货包最危险的下落姿态,为后续验证性试验提供科学的依据。

冲击载荷下径向密度排布对泡沫金属力学性能影响的研究

参照层状密度梯度泡沫模型实现方法,利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型,并用有限元软件,对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收能力的影响,发现:径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比,其两端的应力值均较小,可同时保护冲击端、支撑端物体;径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小,能够保证物体受力稳定;几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫,能量吸收能力对密度梯度大小不敏感,对梯度方向敏感,径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫;平均相对密度越大,径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。

冲击载荷下正弦波纹夹芯圆柱壳的轴向压缩和吸能特性

薄壁夹芯结构因其优异的吸能和轻量化特性被广泛应用于防护结构中。正弦波纹夹芯圆柱壳的制备工艺简单,在工程上应用广泛,研究其在冲击载荷下的轴向变形行为和吸能特性具有重要意义。基于准静态轴向压缩实验,对正弦形波纹夹芯圆柱壳的轴向准静态压缩进行了有限元模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。在此基础上,探讨了夹芯圆柱壳芯层厚度A和正弦波周期数N对冲击载荷作用下夹芯圆柱壳的压溃模式和能量吸收特性的影响。结果表明,合理配置A和N能够有效地提高比吸能,实现较理想的吸能变形模式。在准静态压缩下,结构参数为A3N12的夹芯圆柱壳具有最好的比吸能,为轴对称变形。在冲击载荷作用下,发生非轴对称变形模式的A7N12具有最好的比吸能和最高的平均压缩力效率。

三维整体中空复合材料的力学性能研究进展

三维整体中空复合材料是一种新型的夹芯结构材料,是将芯材和上下面板交织连接在一起,芯材和面板构成一个整体。三维整体中空复合材料的面板与芯材为一体结构且一次固化成型,因此具有优异的抗分层、抗冲击、高损伤容限等性能。研究三维整体中空复合材料的力学性能对其结构设计与应用具有重要的指导意义。详细介绍了三维整体中空复合材料的平压性能、侧压性能、剪切性能、弯曲性能等力学性能的研究进展,提出目前研究存在的问题,以期为以后的发展提供研究方向。

冲击载荷下轻质夹芯拱最大刚度拓扑优化及动力响应

基于双向渐进结构优化方法(bi-directional evolutionary structural optimization,BESO)框架,将传统动态载荷优化法中的内外层迭代引入到ABAQUS-MATLAB平台集成优化中,改进动态载荷拓扑优化流程。对初速度为100 m/s的子弹冲击下的夹芯拱结构进行拓扑优化设计和动力学响应分析。优化后夹芯拱芯层的变形模式可分为3个对称的部分,跨中区域的中部和上部主要发生压缩变形,呈现类三角点阵桁架结构,边界区域上部发生拉伸变形,下部发生压缩变形,呈现C形型结构,跨中和边界之间的过渡区域以拉弯联合变形为主,呈现Y形结构。通过与两种等质量的拱结构对比,分析了3种结构在不同初速度的子弹冲击下结构的挠度以及芯层的能量吸收情况。结果表明:在相同的冲击速度下,优化后的结构挠度最小,芯层比吸能最高;当冲击速度较低时,优化后的结构的抗冲击性能优势并不明显;在所研究的冲击速度范围内,冲击速度越高,优化后结构的抗冲击性能越好。对比对称载荷与非对称载荷(冲击点偏移量为100%)下2种优化结构在不同载荷工况下的动态响应,结果表明:载荷工况不同,得到的最终优化结果也略有所不同,但在相同载荷下结构的响应相差较小,每种工况下得到的优化结果在相应工况下所展现的力学性能略优,但均明显优于传统结构。因此,在对称冲击载荷下优化所得的结构具有一定的普遍性。