三种蜂窝夹芯板的抗爆性能分析

为进一步理解强爆炸载荷下蜂窝夹芯板的抗爆机理,采用ABAQUS/Explicit有限元软件,对3种蜂窝夹芯板的抗爆性能进行了数值模拟分析. 对比了圆孔蜂窝、六边形蜂窝和六角排列圆管3种芯层结构的单胞的面外压缩性能,分析了夹芯板在爆炸载荷作用下的变形过程. 结果表明:对于相同相对密度的3种芯层,在准静态压缩下,六角排列圆管最容易压缩,其平台应力最低,而圆孔蜂窝的平台应力最高. 在相同的结构参数与爆炸载荷作用下,六角排列圆管夹芯板的背板挠度最小,抗爆性能最优. 分析了圆管夹芯板抗爆性能的参数影响,结合载荷传递与芯层压缩变形机制,阐明了夹芯板的抗爆机理,并指出总吸能量不能直接反映夹芯板抗爆性能优劣.      

爆炸载荷下蜂窝/波纹夹芯方板的动力学行为研究

采用弹道摆锤测试系统对铝波纹、铝蜂窝夹芯板进行了爆炸冲击加载实验。通过改变炸药量及炸药位置实现对结构不同冲量的加载,分析对比了不同冲量作用下两种金属夹芯板的变形/失效模式。实验结果表明,爆炸载荷作用下波纹芯层和蜂窝芯层表现出的变形失效模式较为相似,包括中心压实区域,部分压实区域以及边界处的剪切变形;但在冲量较大时,波纹芯层在边界处的剪切变形更为明显。在载荷条件及芯层平均密度一定的情况下,由于梯形波纹芯层较蜂窝芯层较弱的能量吸收能力,波纹夹芯板将产生更大的残余挠度。实验结果对波纹夹芯板和蜂窝夹芯板在抗爆结构中的选择应用具有一定的参考价值。     

爆炸载荷作用下波纹夹芯板动力响应的数值模拟

运用AUTODYN对波纹夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应进行了数值模拟。建立了包括炸药、空气、夹芯板结构及支座在内的三维有限元计算模型,分析了爆炸载荷作用下冲击波与结构的流固耦合过程以及波纹夹芯板的动力响应过程,研究了面板、芯层的厚度和屈服强度对夹芯板挠度和能量吸收的影响。数值模拟表明:波纹板在爆炸载荷作用下的动力响应可以分为冲击波与结构的流固耦合阶段、芯层的压缩以及板的整体动力响应等3个阶段;由于波纹芯层在垂直于波纹的方向上其抗弯刚度较大,在结构平行于波纹的边界处更容易受载荷作用而出现褶皱现象;随着面板、芯层壁厚及屈服强度的增大,后面板的最大挠度和夹芯板的整体吸能也随之减小。实际应用中需对芯层、面板的厚度及屈服强度进行合理的设计,使结构既经济又能满足服役环境。     

形内自相似层级类蜂窝面外冲击特性研究

为提高传统六边形蜂窝结构的抗冲击特性,基于仿生学原理,考虑层级因子的影响,在六边形蜂窝基础上提出了一种形内自相似层级类蜂窝结构。以比吸能（SEA）、初始峰值力（PCF）、载荷效率（CFE）为冲击特性评价指标,根据简化的超折叠单元理论建立一种理论模型,对类蜂窝结构的冲击特性指标进行预测,在此理论模型基础上,研究了胞元壁厚t、胞壁长度l以及胞元数目n对类蜂窝结构面外冲击平均压缩反力和比吸能的影响。结果表明,在等相对密度条件下,比吸能及载荷效率随着层级的升高而提升,其中,在10 m/s冲击速度作用下,一级蜂窝和二级蜂窝的载荷效率相比于零级蜂窝分别提升21%和40%,比吸能分别提升11%和28%;在等壁厚条件下,随着层级的提升,初始峰值力明显提高,但是比吸能及载荷效率的提升更为显著,在10 m/s冲击速度作用下,一级蜂窝和二级蜂窝的载荷效率相比于零级蜂窝分别提升77%和115%,比吸能分别提升72%和116%。所提理论模型能有效预测类蜂窝结构能量吸收性能参数,可为蜂窝结构冲击动力学研究提供理论参考。     

铝蜂窝夹芯结构抗爆性能仿真分析与优化

利用CONWEP计算模型对铝蜂窝夹芯结构的抗爆性能进行了有限元分析，以背板最大变形和夹芯层比吸能作为抗爆性能指标，根据不同基体材料的组合结构建立了铝蜂窝夹芯结构的基准模型.基于基准模型，定量研究了铝蜂窝夹芯结构各部分结构参数和蜂窝胞元类型对其抗爆性能的影响规律.结果表明面板材料采用Al2024T351，背板材料采用RHA的组合结构具有良好的抗爆性能；相比于背板厚度变化，面板厚度的变化对铝蜂窝夹芯结构抗爆性能指标的影响更显著.应用构建代理模型的方法对铝蜂窝夹芯结构的抗爆性能进行了多目标优化设计，使铝蜂窝夹芯结构的抗爆炸冲击波性能得到了明显改善，这对抗爆结构的工程设计有一定指导意义.     

泡沫铝夹芯板低速冲击性能研究

对包套轧制及胶粘泡沫铝夹芯板进行了低速冲击试验,分析了两种夹芯板在低速冲击下的力学响应及破坏形式.结果表明,两种结合界面的夹芯板都具有吸能特性,但冶金结合夹芯板抗冲击的缓冲时间明显长于胶粘结合夹芯板.随着加载冲量的增加,冶金结合夹芯板的屈服载荷和平台载荷增加,缓冲时间缩短,抗冲击过程表现出明显的应变率效应.冶金结合夹芯板破坏模式主要为芯层剪切、压实和面板塌陷.     

泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁动态三点弯曲试验研究

通过三点弯曲冲击试验测试了泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁的动态力学性能,研究了这种复合夹芯梁的破坏形态、荷载-时间曲线和能量-时间曲线。分析了不同冲击速度和芯层厚度对冲击荷载和吸能量的影响,与传统蒙皮夹芯梁和纯泡沫铝梁进行了比较。结果表明,在试验设定的参数范围内,这种复合夹芯梁表现了较好的整体性。冲击速度和芯层厚度对其动态力学性能有明显的影响,随着冲击速度的增加,夹芯梁的冲击承载力逐渐增加,但冲击速度较大时复合夹芯梁会表现出一定脆性破坏,导致吸能能力降低。随着夹芯梁芯层厚度的增加,冲击承载力与吸能能力逐渐增加。与传统夹芯板和纯泡沫铝梁相比,其冲击承载力和吸能能力明显提高,说明这种泡沫铝-环氧树脂复合夹芯梁具有良好的动态力学性能。     

泡沫铝夹芯板抗侵彻性能的数值研究

应用LS-DYNA 3D有限元软件数值研究了固支泡沫铝夹芯方板的抗侵彻性能。分析了面板厚度、芯层厚度、芯层相对密度及不同子弹形状对夹芯板抗侵彻性能的影响,以及不同撞击速度下夹芯板各组成部分的能量耗散机制。研究结果表明,增加面板厚度、芯层厚度或芯层密度均能有效提高夹芯板的抗侵彻能力;泡沫铝夹芯板抵抗锥形弹侵彻的能力最弱;在研究范围内面板吸收了绝大多数冲击能。研究结果对泡沫金属夹芯结构的工程应用有一定的参考价值。     

基于Ansys的冲击载荷下蜂窝夹芯板的动力学响应

以四边固支铝基蜂窝夹芯板为研究对象,针对蜂窝夹芯板胞元中添加颗粒的位置及填充量对动力学响应的影响进行了Ansys数值模拟计算,并比较了不同条件下的蜂窝夹芯板应力应变值.结果表明:在冲击载荷下,蜂窝夹芯板胞元中添加颗粒后能很好地减小应力应变值,增大蜂窝夹芯板的吸能效果.颗粒填充范围为0.2~0.25,颗粒填充数为两粒时,蜂窝夹芯板的应力应变值最小,吸能效果最佳,过多的填充不仅不具有更好的吸能效果,反而会激振蜂窝夹芯板.     

普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩性能

利用MTS 810材料试验机对真空钎焊普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩性能进行了实验测试. 分析了面外压缩变形特性以及结构参数对蜂窝夹芯板面外压缩强度的影响. 研究发现,普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩变形可分为弹性变形、塑性变形和压实三个阶段. 蜂窝胞壁厚度与胞壁边长的比值t/a是影响塑性变形初期变形方式的主要因素. 比值t/a＞0.0427时,塑性变形初期以屈服方式进行;t/a7＜0.0427时,塑性变形初期以屈曲方式进行. 在结构参数对性能的影响中,胞壁厚度对蜂窝夹芯板的初始压缩强度和峰值抗压强度影响最大,胞壁边长的影响次之,而面板及夹芯厚度的影响较小.     

基于落锤装置的蜂窝铝夹芯结构动力学特性

利用实验结合数值计算的方法研究蜂窝铝夹芯结构在受冲击载荷作用时的动力学特性;采用落锤装置对蜂窝铝夹芯结构在受到冲击载荷时的变形进行研究,建立有限元模型,并与实验值进行对比;分析落锤冲击破坏过程中蜂窝铝夹芯结构面板与蜂窝芯子在不同阶段的应力分布,讨论不同冲击速度对蜂窝铝夹芯结构面板凹痕深度与面积的影响,以及实验过程中落锤与试件之间的接触力和能量吸收效果。结果表明,随着落锤冲击速度的增大,面板和蜂窝芯子在最大凹痕深度处的应力峰值逐渐增大,应力波辐射范围增大,蜂窝铝夹芯结构吸收的能量也相应增大。     

热塑性复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击失效行为

夹芯结构具有优良的力学性能和多功能性,是一类良好的冲击防护材料。以编织玻璃纤维增强聚丙烯复合材料蜂窝夹芯板为研究对象,采用JSL-3000落锤式示波冲击试验机研究了其结构在低速冲击下的抗冲击特性。试验采用固支的边界条件,通过控制落锤下落高度实现不同冲击能量对结构低速冲击响应的影响;并在相同的冲击能量下,研究了蜂窝夹芯结构芯层高度和芯层层数对结构抗冲击性能的影响。利用ABAQUS有限元软件建立了蜂窝夹芯板的低速冲击模型与试验结果进行对比,通过对获得的载荷时间曲线和结构失效模式的分析,发现结构的损伤以上面板的凹陷和芯层的压溃为主,在面板未发生穿透的情况下结构会发生大幅度回弹。     

基体材料对蜂窝结构抗爆炸冲击性能的影响分析

为了研究不同结构形式的蜂窝芯层的基体材料对其防护性能的影响,通过Hypermesh软件建立了爆炸冲击载荷下的仿真分析模型,比较了不同基体材料下蜂窝结构背板吸能占比、背板的动能特性以及面板背板的最大变形量,通过三者的加权评估,找到了不同结构形式下的蜂窝芯层最优基体材料。研究结果表明:面内蜂窝结构下,基体材料H14抗爆炸性能最优。异面蜂窝结构下,基体材料Q235的抗爆炸性能最优。     

聚氨酯/蜂窝铝复合材料的压缩力学行为及缓冲吸能特性

对空芯蜂窝铝(六边形孔)、聚氨酯、聚氨酯/蜂窝铝复合材料进行压缩试验,分析蜂窝铝和聚氨酯复合后的压缩力学行为及缓冲吸能特性.结果表明：复合材料的应力-应变曲线表现出弹性、屈服和密实三个阶段,初始刚度和屈服应力较空芯蜂窝铝有很大提高;蜂窝铝的加入使聚氨酯的变形回复降低25%;复合材料的最大吸能效率是单纯聚氨酯的1.47倍,且较大应力下复合材料具有比单纯聚氨酯更好的吸能效率;聚氨酯填充1 mm孔径蜂窝铝复合材料的最大吸能效率是聚氨酯填充2 mm孔径蜂窝铝复合材料的1.37倍;加载速率越大,吸能效率的峰值越大,且在达到最大吸能效率时的应力越大.     

手性蜂窝夹芯概念发动机罩行人头部保护性能仿真

为了减小汽车事故中的行人头部损伤,提出了一种具有四韧带手性蜂窝芯体的夹芯吸能式发动机罩概念设计.建立了头型冲击器、四韧带手性蜂窝以及传统六边形蜂窝夹芯的吸能式发动机罩有限元模型,仿真对比了两种机罩对行人头部的保护性能.结果表明:与六边形蜂窝相比,四韧带手性蜂窝夹芯机罩能更有效地减小行人头部碰撞损伤.建立的四韧带手性蜂窝夹芯吸能式发动机罩,可以为汽车事故中用于行人头部保护的新型吸能发动机罩设计提供参考.     

薄蜂窝复合材料夹芯结构侧压性能研究

对不同构型薄蜂窝复合材料夹芯结构侧向压缩响应进行了试验研究,研究参数包括芯材高度、芯材密度和面板刚度。结果表明,蜂窝芯材高度严重影响蜂窝结构失稳载荷和峰值载荷,而上下面板的刚度不对称性会严重降低失稳载荷却对峰值载荷影响不大。薄蜂窝复合材料夹芯结构的整体破坏过程与芯材密度、芯材高度均有关系,而受刚度不对称性影响不大。薄蜂窝复合材料夹芯结构在侧向压缩载荷下的主要失效模式是蜂窝芯材剪切破坏,通过高速摄像机对蜂窝局部进行观察,发现失效起始于单个蜂格的剪切破坏,导致其高度降低,继而引起上下两侧蜂格破坏,并且迅速扩展到上下约3个蜂格,导致载荷突降。若继续加载,破坏继续向两侧蜂格扩展,且载荷基本不变。     

类蜂窝和六边形蜂窝夹芯等效力学参数对比与仿真

本文提出了相同等效密度这一条件下进行类蜂窝及六边形蜂窝夹芯结构等效力学参数对比分析的方法,这一方法将有利于工业中对填充材料类型的选取.基于能量法对类蜂窝夹芯结构和六边形蜂窝夹芯结构共面等效力学参数进行推导,并利用有限元法对类蜂窝夹芯结构和六边形蜂窝夹芯结构进行仿真分析,验证了理论推导公式的准确性.仿真结果显示在相同等效密度下,六边形蜂窝夹芯结构在x,y,z三方向的等效弹性模量均高于类蜂窝夹芯结构,但其等效力学性能随胞元边长变化时的稳定性低于类蜂窝夹芯结构,该对比方式为不同类型蜂窝夹芯结构的选取提供了参考.     

蜂窝夹芯结构吸波性能的有限元计算分析

针对周期性蜂窝夹芯结构型吸波材料的非均匀性,提出采用频域有限元数值仿真和散射参数反演法计算不同构型蜂窝夹芯材料的雷达散射截面（RCS）和反射系数,并探讨了周期性蜂窝夹芯结构中胞元的尺寸效应对结构型吸波材料隐身性能的影响．计算结果表明：对于具有相同体分比的不同构型蜂窝夹芯结构型吸波材料,当胞元尺寸大于工作波长时,夹芯材料的不均匀性导致RCS值变化幅度较大;随着尺寸的缩减,RCS值逐渐减小且变化趋于平缓．但在不同入射方向具有明显的散射特性,而且不同构型蜂窝夹芯结构的反射系数也表现出明显的尺寸效应．研究结果为周期蜂窝夹芯结构型吸波材料的多功能设计提供了计算依据．     

撞击作用下泡沫铝填充结构吸能特征

泡沫铝是由金属铝制成,由于铝具有较低的强度,导致泡沫铝本身的承载能力和吸能特性受到局限.典型的抗振吸能结构是泡沫铝填充结构或夹芯结构.采用实验和数值模拟方法分析了泡沫铝填充结构在冲击作用下的变形特征与吸能特性.研究表明,填充结构中钢制圆柱壳在整个冲击吸能过程中占主要地位,它与泡沫的相互作用使得变形过程中的能量吸收和初始失稳载荷随冲击速度的提高而增加;当钢制圆柱壳的壁厚增加时,峰值塌陷载荷和总的吸能也提高.在100 kg范围内,冲击质量对初始峰值塌陷载荷的影响不大.由于钢壳是主要的承载和吸能部件,要想提高泡沫铝填充结构的吸能特性,需要合理地设计泡沫密度与钢壳厚度,充分利用它们之间的相互作用关系.     

铝蜂窝异面压缩吸能特性实验评估

基于准静态实验与台车动态撞击实验,对不同规格铝蜂窝试件开展吸能能力特性评估;分析准静态与动态冲击条件下,各铝蜂窝的平台强度、比载荷、质量比吸能、体积比吸能与厚跨比的相关性,研究吸能特性与孔格疏密程度、蜂窝表观密度的关系.研究结果表明:该类蜂窝低速冲击较准静态压缩吸能能力提升约1.33倍;平台强度、比载荷、质量比吸能、体积比吸能均随厚跨比的增大呈幂次增大,幂次分别约为1.53,0.67,0.67,1.48;吸能能力随厚跨比的增大而提升,体积比吸能的增加较质量比吸能的增加更明显;所绘的蜂窝能量吸收图表征了实时平台应力与单位体积吸收能量的对应关系;曲线肩点反映了不同厚跨比蜂窝的最优吸能设计点,由系列蜂窝的肩点包迹线性方程表达式可反演设计出满足工程能量需求的蜂窝产品.