侧向冲击载荷下金属薄壁圆管内填充泡沫铝的吸能特性研究

运用有限元软件Ls-dyna对泡沫铝填充金属薄壁圆管受侧向冲击载荷进行了数值仿真分析。通过模拟结果与实验结果的对比,验证了有限元模型的有效性与计算结果的精确性;进而研究了管的几何参数、泡沫铝的密度与冲击速度等因素对其变形与吸能特性的影响。研究结果表明:在侧向冲击载荷作用下泡沫铝填充管的压溃可以分为3个阶段,初始碰撞阶段、塑性变形阶段和密实化阶段;与空管相比,泡沫铝填充管的侧向冲击载荷、总吸能与比吸能显著增大。管的几何尺寸、泡沫铝密度、冲击速度等对泡沫填充管的吸能性能影响较大。当冲击速度超过一定数值时,填充管的变形模式发生改变,由对称变形变为非对称的变形。     

轴向压缩下泡沫铝填充薄壁圆管吸能特性研究

利用有限元软件ABAQUS对7种不同几何尺寸的泡沫铝填充管进行准静态轴向压缩的数值仿真分析,系统地研究了管的高度、壁厚、直径以及泡沫铝的填充对圆管吸能性能的影响;与实验对比,分析了7种泡沫铝填充试件的平均载荷、初始峰值载荷、比吸能(ESA)和压缩力效率(ECF)等吸能评价指标。研究结果表明,泡沫铝填充管在准静态轴向压缩时,管的壁厚与直径对管的吸能性能有显著影响;管的高度对其吸能性能影响较小,但高度的增加可以增加管的总吸能;泡沫铝的填充提高了管的承载力、总吸能、比吸能和压缩力效率。本研究成果可为设计理想的缓冲吸能装置提供一定的技术依据。     

功能梯度泡沫薄壁管斜向冲击耐撞性仿真研究

采用有限元分析方法,以比吸能和初始碰撞力峰值为评价指标,通过与等质量均值密度泡沫填充管对比,研究了一种新型功能梯度泡沫填充管在不同冲击角度下的失效模式和耐撞性能,分析了包括泡沫梯度指数、壁厚和泡沫密度变化范围在内的结构参数对其在斜向冲击下耐撞特性的影响。结果表明,功能梯度泡沫填充管在斜向冲击下的耐撞性能明显优于均值密度泡沫填充管;结构参数之间相互关联、彼此影响,均对功能梯度泡沫填充薄壁管的耐撞特性产生显著影响。     

低碳钢和不锈钢圆管轴向冲击碰撞吸能特性研究

针对金属圆管的吸能设计，通过落锤试验和动力显式有限元法对低碳钢和不锈钢圆管的碰撞吸能特性进行了研究。研究发现：轴向冲击下圆管的失效模式分为轴对称模式、过渡模式和非轴对称模式，初始几何缺陷的随机性是产生不同失效模式的原因之一。给出了平均碰撞力的设计公式，最后探讨了采用铝基蜂窝状填充材料对圆管耐撞强度的影响。     

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%.     

泡沫填充圆管的轴向压缩能量吸收特性

建立了泡沫填充圆管在准静态轴向压缩载荷作用下的吸能特性分析模型,分析了材料参数、几何参数对其比吸能(单位质量吸收的能量)的影响,并对其结构参数进行了优化。研究结果表明:泡沫填充圆管具有很好的吸能能力;泡沫材料的相对密度对比吸能有显著的影响,相对密度取适当值可使比吸能最大。另外,提高构成泡沫的实体材料的强度可有效地提高比吸能。     

夹芯圆管耐撞性分析及结构优化

夹芯圆管因其质量轻、成本低、能量吸收率高等特点被广泛应用于车辆工程和航空航天领域。为了提高夹芯圆管的耐撞性能,使用有限元软件Ansys进行轴向冲击仿真研究,分析了肋板数、壁厚、内圆直径对其耐撞性能的影响。结合响应面法和NSGA-Ⅱ算法对夹芯圆管的结构进行多目标优化,最后将结构进行扭转,探究扭转角对耐撞性能的影响。结果表明：壁厚对耐撞性的影响最大,内圆直径对峰值压缩力基本没有影响。扭转后的夹芯圆管可以在不提高峰值压缩力的前提下增加比吸能,耐撞性能有明显提高,扭转角度为45°时效果最佳,较扭转前增加了10.75%,为夹芯圆管的耐撞性设计提供了一种新方法。     

不同冲击工况下蜂窝填充薄壁结构的耐撞性能

提出了一种方形蜂窝填充薄壁复合结构,并采用实验研究与数值分析的方法研究了12种冲击工况下蜂窝填充薄壁结构与相应的非填充(薄壁空管)结构的耐撞性能.同时,结合Kriging近似技术与小种群遗传算法对蜂窝填充薄壁结构开展数值优化设计.结果表明,在各种冲击工况下,蜂窝填充薄壁结构吸收的能量都高于薄壁空管结构,且冲击的角度和速度对蜂窝填充薄壁结构吸能性能影响显著.在相同的冲击速度下,蜂窝填充薄壁结构吸收的能量随着冲击角度的增大而降低;在相同的冲击角度下,蜂窝填充薄壁结构吸收的能量随着冲击速度的增大而提高.对Kriging近似技术与小种群遗传算法优化所得蜂窝填充薄壁结构进行最优参数匹配,能够改善蜂窝填充薄壁结构的吸能性能.     

6063铝合金薄壁方管耐轴向撞击性能研究

针对汽车用铝合金构件的安全设计要求,采用关键试验加有限元仿真技术,对6063铝合金薄壁方管轴向耐撞击性能进行了研究.通过轴向静态压缩和落锤冲击试验,获得了该薄壁试件静态和冲击载荷下的力学行为规律.同时应用有限元模型对不同结构尺寸的试件进行了不同速度下的冲击仿真分析,给出了试件变形和载荷预测.研究结果表明,6063铝合金薄壁试件具有良好的吸能性,试件的耐撞性和材料组织、加载速度及结构几何尺寸有密切关系.降低冲击速度、减小构件长细比以及增大壁厚,有利于改善试件屈曲过程的稳定性.作为汽车用缓冲吸能结构,该类薄壁铝合金试件的长细比不宜大于12,壁厚取2 mm,长度在310 mm左右为结构最优.     

泡沫铝填充薄壁梁斜向碰撞的仿真研究

采用有限元仿真技术研究了泡沫铝填充薄壁梁不同角度斜向碰撞下的吸能特性.分析了泡沫铝密度、壁厚、长宽比等设计参数对临界角和平均碰撞力的影响,并拟合出平均碰撞力和各设计参数及碰撞角度的解析式.结果表明,泡沫铝填充薄壁梁的临界弯折角小于无填充薄壁梁,并且泡沫铝密度对临界角的影响最大.随着横截面宽度从70mm增大到90mm,无填充薄壁梁弯折临界角从6°增大到9°,而泡沫铝填充薄壁梁弯折临界角度则没有明显改变.壁厚越厚泡沫铝填充薄壁梁的弯折临界角越大,但无填充薄壁梁弯折临界角不变.平均碰撞力和碰撞角度存在指数函数关系,且反比于长宽比平方、正比于壁厚和泡沫铝密度的指数幂.     

防冲液压支架变梯度薄壁吸能构件研究

针对冲击地压下巷道支护设备防冲能力差,易遭受冲击性失效问题,提出一种防冲支架用变梯度薄壁圆筒吸能防冲构件,设计变梯度薄壁圆筒吸能构件不同的壁厚差和段数参数,对各参数变梯度薄壁圆管其进行冲击压溃模拟仿真,并分析各相关吸能防冲性能参数,结果表明:变梯度薄壁圆管构件段数和厚度差的增加均会使薄壁圆管压溃初始壁厚变小,从而减小初始峰值力;在平均壁厚相同情况下,不同壁厚差和段数的变梯度薄壁圆管的平均支反力和总吸能量高于普通薄壁圆管9.3%～178%;在各参数变梯度薄壁圆管中,分为四段且厚度差为0.5 mm的变梯度薄壁圆管构件的初始峰值力、吸能量和平均支反力、支反力波动性能参数较优,是ZQ6000/26/36两柱单导杆式防冲支架较为理想的防冲吸能构件。变梯度薄壁圆管构件的设计可以改变普通薄壁圆管构件形成塑性铰的位置及数量,使薄壁构件变形趋向较为稳定的钻石模式和混合模式转变,提高了吸能防冲能力。     

泡沫铝填充管汽车保险杠的研究

为满足汽车向轻量化、低能耗、安全舒适方向发展的要求,采用新材料制造汽车零件。以泡沫铝应于汽车保险杠为研究背景．研究了泡沫铝填充管的吸能特性,建立了相应的数学模型。并将泡沫铝汽车保险杠与传统的空心金属管保险杠进行了比较。结果表明泡沫铝填充管汽车保险杠更能满足汽车向质量轻、体积小、环保等方向发展的要求。将具有很大的发展前景。     

钢骨-钢管高强混凝土柱抗火性能试验研究

钢骨-钢管高强混凝土柱是一种组合柱设计的新模式,通过钢骨-钢管高强混凝土柱与普通钢管高强混凝土柱的对比轴向负荷和抗火试验,研究了钢骨-钢管高强混凝土柱的耐火性能.试验结果表明,在相同的荷载水平下,两种组合柱的轴向变形均呈现三阶段变化规律:初始膨胀变形阶段、材料损伤导致的压缩变形稳定发展阶段和压缩变形急剧增长的破坏阶段;钢骨-钢管高强混凝土柱的压缩变形稳定发展阶段较普通钢管高强混凝土柱长很多,从而使钢骨-钢管高强混凝土柱的耐火极限达到166 min,而钢管高强混凝土柱仅为46 min,由此可见在钢管高强混凝土柱中加入型钢可显著提高柱子的耐火性能.研究成果可为有关钢骨-钢管高强混凝土柱工程抗火设计提供参考.     

内衬空八边形钢管的混凝土组合柱耐撞击性能

为研究内衬空八边形钢管混凝土组合柱的耐撞击性能,利用无导轨落锤式撞击试验机进行内衬八边形钢管混凝土组合柱耐撞击试验研究.试验过程中采用力传感器、高速摄像机记录撞击全过程中构件的撞击力时程曲线和跨中位移时程曲线.试验中观察边界条件、撞击能量、轴压比和圆钢管壁厚等因素对组合柱破坏形态与能量耗散的影响规律.试验结果表明:外包钢筋混凝土可与空八边形钢管和钢管混凝土相互协调,共同工作;在承受撞击荷载时,撞击高度对试件耗能能力的影响最为显著,边界条件次之,轴压比影响较弱,圆钢管壁厚影响最弱.     

基于CFD评估蒸汽喷射泵的抗背压能力

通过蒸汽喷射泵喉部出口截面单位体积流体的动能e评估蒸汽喷射泵的抗背压能力.利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法研究喷射泵几何参数——喉部直径d、混合室角度θ和喷嘴出口位置s对蒸汽喷射泵抗背压能力的影响,以及e与蒸汽喷射泵抗背压能力之间的关系.结果表明:随着d或θ的减小,或s的增大,都会导致e增大,此时蒸汽喷射泵抗背压能力增强;当d,θ及s变化时,e可作为评估蒸汽喷射泵抗背压能力的指标.     

钢管混凝土耐撞性能分析

利用落锤试验装置对简支、悬臂钢管混凝土试件进行大质量低速撞击试验,从变形、吸能能力和塑性铰等方面对试验资料进行分析与研究,结果表明:简支钢管混凝土试件的变形可超过其跨度的1/10,其最终位移与撞击能量基本为线性关系;撞击能量相同时,钢管混凝土试件的变形大约是空钢管的1/2,即吸能能力是空钢管的两倍;钢管混凝土试件形成的"塑性铰"可消耗80%以上的撞击能量。     

填充电池组的耐撞安全性

针对圆柱电池的电池组,提出了一种新型的填充保护方式来提升电池组的耐撞安全性. 通过实验和数值模拟对比了填充电池组与无填充电池组的耐撞安全性,讨论了采用树脂和不同密度的泡沫金属作为填充材料对电池组安全性的影响. 结果表明填充电池组呈现出更高的安全性,这是由于填充材料改变了电池的受力状态,使电池受力更合理、变形更均匀,从而减少了电池的破坏风险. 树脂填充提高了电池组的硬度和刚度,在冲击荷载下,使电池组更快地进入均匀受载阶段. 泡沫金属的选取需要综合考虑材料本身吸能的能力和材料对电池组能量分布的影响,硬度适中的金属泡沫填充电池组具有较好的耐撞安全性.      

摩擦填料作用下土工充砂袋充填特性

为更准确计算土工充砂袋在充填完成时袋体形状及受力特性,针对袋体与充填料之间的摩擦对袋体的影响,通过在计算中引入填料与袋体间的摩擦,建立袋体的平衡方程,运用数值方法对方程进行求解.将袋体形状及张力与不考虑袋体与充填料之间的摩擦时的计算结果进行比较,发现袋体的形状及受力特性有显著的不同,同样条件下摩擦系数越大,充填完成时袋体的高度越大,最大宽度及触地宽度越小;袋体张力也不再是常数,而是随土工袋切角的增加而增大,最大张力远大于不考虑摩擦时的张力.     

钢管混凝土哑铃型截面构件扭转试验及抗扭刚度分析

分析了钢管混凝土哑铃型截面构件的约束扭转试验及抗扭刚度参数,结果表明,钢管混凝土哑铃型截面构件有较好的扭转弹塑性;增加腹腔宽度可增强哑铃形构件的抗扭性能,增加截面高度对于增强构件抗扭承载力影响不大;哑铃型截面抗扭刚度为钢管、管内混凝土、腹腔混凝土三部分抗扭刚度之和,腹腔混凝土抗扭刚度所占比重较小,可以忽略.