基于虾螯结构的仿生薄壁管吸能特性分析及优化

为提高薄壁管结构的耐撞性和吸能性,基于雀尾螳螂虾螯结构,结合结构仿生学原理设计出具有仿生晶胞单元薄壁管,利用有限元法模拟了仿生薄壁管碰撞吸能特性,采用响应面法进行薄壁管结构优化.结果表明,仿生薄壁管的比吸能较普通薄壁管的分别提高了11.1%（轴向）和24.6%（径向）,优化得到仿生薄壁管轴向和径向吸能特性最优的结构尺寸,比吸能分别为27.0 kJ/kg （轴向）和10.8 kJ/kg （径向）,该薄壁管仿生设计和响应面优化方法为吸能元件的轻量化设计提供了新思路.      

预制螺旋槽薄壁管的吸能研究

为了使机车在碰撞过程中吸收更多的能量,达到提高机车被动安全性的目的,设计了一种预制螺旋槽薄壁管结构。通过非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA对3种不同薄壁管结构进行了数值分析,并研究了螺距、螺旋角和半圆形螺旋槽直径对预制螺旋槽薄壁管的吸能性能的影响。研究表明:(1)半圆形螺旋槽薄壁管相比圆形管和矩形管具有更好的吸能性能,可作为一种新型薄壁管吸能元件;(2)螺距对螺旋形薄壁管的吸能效果具有很大的影响,在0.17 m时吸能效果最好;(3)当半圆形螺旋槽的直径大于5 mm时,吸能性能会出现急剧下降;(4)螺旋角几乎不影响吸能效果。     

薄铺层复合材料薄壁管轴压屈曲行为研究

在薄壁结构的应用中,屈曲稳定性是影响其承载性能的关键因素,为研究减薄铺层厚度对复合材料薄壁结构局部屈曲行为的影响,本文采用不同厚度(0.125、0.055和0.020 mm)的预浸料制备复合材料薄壁管,实验测试了其在轴压下的局部屈曲行为.实验结果表明,随着铺层厚度减薄,实验采用的正交和均衡两种铺层方式的复合材料薄壁管局部屈曲载荷均随之提高,而屈曲失效模式没有发生改变.力学分析表明,铺层厚度减薄后,管壁弯曲刚度的改变和层间剪切应力分布对薄壁管局部屈曲载荷提高有重要影响.采用薄铺层制备复合材料薄壁结构件能够有效提高其局部屈曲能力.     

复合材料仿竹薄壁管耐撞性和可靠性研究

为提高薄壁吸能管的耐撞性,该文设计了一种复合材料仿竹薄壁管。将钢材、铝材及复合材料运用于仿竹薄壁管,利用有限元法模拟薄壁管的轴向碰撞,对比分析了三类材料薄壁管的耐撞吸能效果,得出玻璃纤维/环氧树脂基复合材料仿竹薄壁管耐撞吸能效果最佳。为进一步提高薄壁管的耐撞性和可靠性,将试验设计、响应面模型、可靠性理论和优化算法相结合,求出仿竹薄壁管的最优结构。研究表明,仿生设计、复合材料运用、可靠性理论及优化算法相结合的研究方法可提高薄壁管的耐撞性能。     

仿竹结构薄壁管的轴向耐撞性分析及优化

为提高薄壁管结构的耐撞性和吸能性,基于竹结构设计出由仿生节、仿生单元和仿生内管组成的仿生吸能管,并利用有限元法模拟了仿生吸能管的轴向碰撞吸能,利用响应面法求得了仿生吸能圆管的最优结构。优化得出仿生单元壁厚为1mm、仿生内管壁厚为0.628mm时吸能特性最优,比吸能分别为157.57kN和34.33kJ/kg。结果表明:仿生设计和响应面优化,可提高薄壁管的吸能特性,可为薄壁管的优化设计提供新方法。     

正八边形多胞薄壁管吸能特性仿真和优化

基于正八边形多胞薄壁管相比其他截面形状薄壁管具有结构紧凑、比吸能高等特点,采用有限元软件Abaqus研究了其在准静态轴向压缩下的吸能特性,分析了不同截面形状和结构参数对吸能特性的影响.根据吸能特性指标,运用非支配遗传算法对正八边形多胞管边对边(S2S)结构进行了优化.结果表明,正八边形多胞管的边对边布置形式的吸能效果优于角对角布置形式,其S2S结构吸能特性最优.结构参数对其吸能特性影响明显,经优化后的S2S结构比吸能提高了33.11%,最大压溃力降低了3.78%,具有较好的吸能特性.     

金字塔型波纹薄壁管抗撞性分析和优化

 为提高薄壁结构吸能元件的抗撞性能,在传统的光滑圆柱壳表面添加金字塔型波纹。基于显式有限元技术, 应用LS-DYNA软件对这种新型的金字塔型波纹薄壁管进行抗撞性分析。采用Fibonacci搜索方法搜索该波纹管的正多边形截面的最佳边数,以波纹的高度和倾角为设计变量,以结构的吸能为优化目标建立优化模型。采用响应面法拟合目标函数,进行优化设计。半径为40mm的波纹管算例的优化结果表明,金字塔型波纹管在截面为正十一边形、波纹高度为80mm、金字塔形波纹的顶点到中心轴的距离为38.92mm时吸能最大,吸能能力比光滑表面的圆截面结构提高31.88%。新提出的波纹结构可用于实际吸能元件的设计,并为进一步研究奠定基础。     

轴向载荷下蜂窝填充薄壁锥管的吸能特性

基于数值仿真和台车冲击实验,研究轴向载荷下隔板、蜂窝填充对薄壁锥管变形模式、吸能性能的影响。考虑填充蜂窝尺寸影响,提出蜂窝分段均匀填充结构和梯度蜂窝填充结构2种改进方案,并分析其吸能特性。研究结果表明:在轴向载荷下,薄壁锥管、加隔板锥管、蜂窝填充带隔板锥管这3种结构的吸能量分别为73.2,133.2和221.0 kJ;隔板的增加使薄壁管的吸能量增加82.0%,填充蜂窝和隔板的增加使薄壁管的吸能量增加201.9%;由于蜂窝与薄壁管的相互影响,与原始蜂窝填充吸能结构相比,改进结构C1和C2在轴向冲击下的吸能量分别提高21.1%和24.3%;隔板与蜂窝的共同作用可以提高薄壁锥管的吸能量,同时变形更加稳定、有序可控。     

仿生树状分形薄壁结构的耐撞性研究

为提高薄壁管结构的耐撞性,受树枝生长规律的启发,设计了两类树状分形的薄壁多胞结构。根据简化的超折叠单元理论,针对轴向压缩工况,建立仿生薄壁管的平均冲击力理论模型,采用有限元数值模拟技术,研究分形结构对薄壁结构耐撞性的影响。结果表明：理论模型可以有效地预测仿生薄壁管的平均冲击力,树状分形设计能够促进薄壁结构的变形稳定,高阶仿生薄壁管在比吸能、载荷效率等方面优于单胞方管,且随着分形阶数的增加,仿生管的能量吸收能力和变形稳定性进一步提升。     

应用梯形纳米结构增强纳米棒表面电场

棒状纳米结构作为衬底,已经被广泛地用于表面增强拉曼散射.为进一步增强纳米棒表面电场,从而提高被探测分子的拉曼信号强度,本文设计了梯形-棒状纳米结构.应用梯形纳米结构中电子的纵向振动所产生的电场激发纳米棒中电子的横向振动,实现纳米棒表面电场级联增强的效果.另外,本文还研究了梯形-棒状纳米结构的形貌参数对其表面等离子体共振的影响.     

铝合金薄壁挤压管在准静态和动态载荷下的有限元模拟

使用韧性损伤判据,剪切损伤判据和MSFLD损伤判据分别对铝合金薄壁管在三点弯曲(3PB)和轴向冲击载荷作用下的试验进行有限元模拟.模拟结果表明:铝合金薄壁管在三点弯曲(3PB)和轴向冲击载荷作用下,随着薄壁管上的应力状态的不断变化,损伤形式主要是韧性损伤,剪切损伤和MSFLD损伤的组合,单一的损伤模型无法全面地描述铝合金薄壁管在复杂应力条件下的损伤及变形行为.模拟结果的载荷-位移曲线与试验的载荷-位移曲线吻合得很好.同时,轴向冲击模拟结果显示出铝合金薄壁管具有很好的吸能性.     

圆管相贯加强环节点承载力与变形性能分析

根据薄壁钢管的相贯节点的特性,提出了在钢管内部设置加强环节点构造形式,建立了有限元模型;运用ANSYS非线性有限元分析法,分别计算了在主支管相交区内不同方式设置不同数量和大小的加强环节点的各项指标,分析了加强环节点的受力特征与破坏模式,探讨了不同类型的加强环节点的承载力和变形性能,计算结果表明,在不同荷载组合下对节点进行局部加强环的构造型式对于提高节点承载力和减小局部变形是非常有效的措施.最后提出了相关的设计建议取值,避免了部分单纯由构造确定加强环节点的盲目性.     

Influence of Various Parameters on Collapse Behaviour of Thin Cylinders

Axial compression experiments on as received aluminum tubes and tubes with wall thickness eccentricity incorporated by off centre machining showed that the eccentricity caused transition of their collapse mode from axisymmetric to diamond. The numerical simulation of the collapse phenomenon was undertaken using a static non-linear Finite Element Analysis in ANSYS, and results are found to compare well with the experimental load compression and energy absorption responses for axisymmetric concertina and non-axisymmetric diamond modes. Having validated the numerical model with experiments, it has been used to undertake a systematic study of the load - compression characteristics and collapse mode transitions of the tubes with varying eccentricities in wall thickness and boundary conditions, as well as the material properties.     

新颖波纹截面薄壁圆管的耐撞性

提出一种新颖的波纹薄壁圆形结构,采用数值对比分析方法,分析不同波纹截面形状对薄壁结构耐撞性的影响.结果表明:对于同一外截面形状的波纹,波纹内截面形状的变化使吸能相差10%;外截面是矩形的不同内截面波纹结构的吸能性要高于外截面是圆形的不同内截面波纹结构,其中,外截面为矩形,而内截面为圆形的波纹结构具有最优的吸能性,比外截面为圆形,内截面为矩形的波纹结构的吸能性提高34.5%;波长对薄壁结构的耐撞性也具有较大的影响,波长为7.8 mm的波纹管具有较好的耐撞性;与无波纹结构的圆管相比,外截面为矩形,内截面为圆形的波纹薄壁管在不影响吸能的情况下,可以使峰值力降低50.8%.     

薄壁带肋方型截面钢桥墩抗震性能的拟静力试验研究

制作5根薄壁带肋方型截面钢桥墩试件,采用MTS伺服加载系统进行此类试件的拟静力试验,研究不同横向加劲肋间距和混凝土填充率对薄壁带肋方型截面钢桥墩抗震性能的影响.通过对试件破坏过程、荷载位移滞回曲线和骨架曲线等试验结果的分析得到:随着底部塑性铰区域横向加劲肋间距的减小,试验采用的钢桥墩试件的承载力和刚度有所提高;其它相同条件下,随着混凝土填充率的增加,管内混凝土对外围薄壁钢管发生局部屈曲的约束作用逐渐增大,桥墩的水平承载力、耗能能力、结构刚度、极限位移和位移延性系数等抗震性能指标也都随之提高.     

初始损伤金属耗能器冲击动力特性研究

通过在棚洞支座处设置金属耗能器代替传统砂石垫层,吸收滚石冲击能量,可最大程度减小滚石冲击力。常用的金属耗能器存在初始屈服荷载远高于平均压垮荷载的缺陷。为此,提出一种新型带初始损伤的金属耗能器,通过降低其初始屈服荷载,达到优化棚洞工程的目的。基于LS-DYNA研究轴向冲击荷载下不同初始损伤模式金属耗能器的动力响应,比较了其破坏模式、冲击力-位移关系与耗能效果。结果表明:合理的初始损伤设置可有效降低金属耗能器初始屈服荷载达40%;而平均压垮荷载、吸收的总能量基本保持不变,研究成果可为金属耗能器在棚洞工程中的应用提供依据。     

冲击载荷下金属薄壁圆柱壳动态响应特性研究

为探讨薄壁结构金属件在冲击载荷作用下的变形模态、受力特征等动态力学响应特性,对3种材料的薄壁圆柱壳体进行了不同速度的落锤冲击实验,获得了相同冲击条件下不同材料圆柱壳体的变形模态、吸能方式和轴向缩短率,以及冲击速度和径厚比对圆柱壳体吸能和轴向缩短率的影响规律. 研究结果表明:薄壁圆柱壳的轴向缩短率随着冲击速度增加而增加,由于应变率效应吸能能力也随着冲击速度增加而增加;薄壁圆柱壳体的轴向缩短率随着径厚比的增加而增加;动态冲击条件下的平均后屈曲载荷远大于准静态条件下的理论载荷,除了与圆筒直径、厚度以及材料特性相关外,还与冲击速度相关;通过非轴对称屈曲折皱变形来抗冲击A6060铝合金适合用于薄壁结构件.      

轴向冲击载荷作用下泡沫金属填充薄壁金属圆管吸能特性研究

对不同几何尺寸的泡沫铝填充薄壁金属圆管结构进行了轴向压缩数值模拟,研究其吸能性能,对比了各种几何参数对结构耐撞性能的不同影响,发现填充结构的尺寸对结构的耐撞性影响显著。研究结果显示,泡沫铝密度和薄壁圆管长度对填充结构吸能性有较大影响,而外筒尺寸对填充结构吸能性影响不大。