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。     

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。     

一种新型仿生层次多胞薄壁管的耐撞性研究

薄壁结构以其优异的力学性能被广泛应用于汽车的防撞吸能设计中.本文以生物层次结构为仿生原型,提出了一种新型的多胞薄壁吸能结构,并采用理论和数值模拟对不同阶次层次截面的铝合金薄壁结构进行动力学分析,研究了层次结构对薄壁结构耐撞性能的影响.研究表明:在同等材料以及壁厚的情况下,层次多胞薄壁结构的比吸能与载荷效率等吸能特性优于传统的单胞和多胞结构,并随着层次结构的不断增加而进一步提升.     

泡沫填充圆管的动态轴向压缩吸能特性

为开发可用于汽车安全设计和航天器回收等领域的新型碰撞吸能结构,在泡沫填充圆管受准静态轴向压缩吸能特性分析模型的基础上,建立了轴向压缩条件下的动态吸能特性分析模型。分析结果表明,加载速率对泡沫填充圆管的吸能能力有较大影响,吸能能力随加载速率的增大而提高。该文还采用LS-DYNA软件对泡沫填充圆管的轴向压缩吸能过程进行了数值模拟,并与理论分析结果进行了对比。结果表明,二者具有较好的一致性。     

不同诱导结构轴向抗撞性分析

研究了圆截面薄壁构件的变形方式和吸能特点,针对其在碰撞过程中力-变形特性曲线的不足,根据预变形理论,对薄壁圆管结构进行了改进,在其上设置圆弧形诱导凹槽、凸槽和凸凹交替诱导槽,并采用有限元软件Ls-dyna验证了改进方案的合理性。     

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%.     

泡沫铝填充件对薄壁圆管结构压缩稳定性提高的研究

采用非线性有限元LS-DYNA软件仿真与试验两种方法,研究了泡沫铝填充件对薄壁圆管碰撞稳定性的改善.首先,根据碰撞力要求,设计选择了薄壁圆管及泡沫铝填充件各参数;通过样件试验与有限元仿真计算,两者获得了较为一致的结果,从而证实了设计的合理性及非线性有限元仿真的可行性.最后,把上述结果应用于列车被动安全装置防爬器的碰撞仿...     

管形径向复合压电陶瓷超声换能器

对一种圆管形径向复合压电陶瓷超声换能器径向振动特性进行研究.该换能器由径向极化薄壁压电陶瓷短圆管与薄壁金属短圆管径向复合而成.基于弹性力学理论和机电类比原理,建立了换能器径向振动机电类比等效电路,并推导出其径向共振频率、反共振频率方程及有效机电耦合系数的解析式.实验加工了一些径向复合换能器样品,并对其径向共振频率及有效机电耦合系数进行了测试.结果表明,理论与实验测试结果相吻合.     

薄壁结构吸能预测的多元非线性回归分析

为了研究试验参数对薄壁金属结构吸能特性的影响规律,预测和分析这一类型的薄壁结构吸能特性,针对轴向冲击载荷作用下薄壁结构动态响应的非线性特性,以数值模拟为基础,建立了结构吸能特性参数与试验参数之间的多元二次非线性回归模型,编制了Gauss-Newton迭代算法程序对该非线性回归模型参数进行求解.以方形薄壁结构为例,得到了比吸能E_s,有效撞击力AE和有效撞击行程SE分别与试验参数之间的非线性拟合数学方程,最后使用该二次非线性回归模型对这一类型的方形薄壁结构在轴向冲击载荷作用下的吸能特性进行预测.结果表明:方形薄壁结构各项吸能特性参数的回归值与试验值的相对误差控制在±6.0%以内,比吸能E_s、有效撞击力AE和有效撞击行程SE的相对预测误差平均值分别为0.683%、4.604%和3.392%,说明该模型预测精度比较理想.     

薄壁结构抗弯性能多目标优化设计方法研究

薄壁吸能结构的抗弯性能评估是多方面的,并且各个质量特性之间可能会发生相互冲突。因此,薄壁结构弯曲吸能特性的优化设计非常困难。为了解决上述问题,文章提出了一种结合试验设计技术、径向基函数近似建模技术、序列采样策略和多目标粒子群算法的序列近似多目标优化设计方法,进行了薄壁结构的弯曲吸能特性优化设计。优化结果表明,该方法提高了薄壁结构的弯曲吸能特性,比传统的优化方法具有更高的优化设计效率;并且在相同的求解效率下,序列采样策略比常规采样策略具有更高的精度,能大幅提高产品的设计质量。     

周期开孔圆管的准静态轴压特性

结合多胞材料的可压缩性和圆管结构的轴对称性,提出了一种周期开孔圆管的缓冲吸能新结构.通过数值模拟研究了该结构在轴向准静态加载下的力学响应.加工了典型尺寸的试件,对其进行了准静态实验研究,实验结果证明了数值模拟的可靠性.数值模拟和实验的结果表明在准静态轴压下,该结构主要变形模式为整体轴向均匀压缩,载荷位移曲线平滑,载荷力稳定且幅值较大,比吸能和冲程效率适中,缓冲吸能性能较好.讨论了几何参数对结构吸能性能的影响,发现圆管厚度对平均载荷的大小起决定性支配,二者呈现较好的线性关系,随着周期开孔数或者胞元壁厚的增加,平均载荷逐渐增加,冲程效率逐渐减小,比吸能变化不大.     

端部圆锥形薄壁构件的抗撞性设计优化

基于显式有限元技术,采用响应面法,以结构的比吸能为优化函数,研究了圆形截面金属薄壁构件的端部锥形尺寸对抗撞性的影响;经过数值分析,得出了端部为锥形的圆形截面薄壁构件的比吸能关于锥形长度和锥边直径的变化规律,这些规律可以用于实际吸能原件的设计,并为进一步研究奠定了基础.     

铝合金/碳纤维超混杂薄壁吸能结构的制备及性能研究

纤维/金属超混杂复合管在提高整体结构碰撞吸能性能的同时又具有显著的轻量化效果,在吸能结构材料应用领域具有良好的应用前景和优势.通过热压成形与螺栓连接相结合的方法制备铝合金/碳纤维超混杂薄壁吸能结构,讨论不同尺寸的双耳端结构、螺栓连接位置与数目在轴向压溃下对薄壁吸能结构失效行为及吸能性能的影响.试验结果表明:双耳端尺寸与螺栓位置影响结构的层间结合性能,双耳长度为12、18 mm时容易造成应力集中,从而影响结构在轴向压溃下的失效形式与吸能特性;螺栓连接数目影响结构的强度与层间结合性能,5螺栓连接的薄壁吸能结构拥有最优吸能性能与失效形式.     

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.     

基于多薄壁圆管套装假设的圆轴扭转切应力-变形量分析

针对材料力学、工程力学等教材中圆轴扭转章节的切应力-变形量公式，提出了一种基于多个薄壁圆管套装假设的新推理方法，导出了厚壁圆管及实心圆轴的切应力公式、单位长度扭转角公式等.提出用薄壁圆管扭转实验测量切应变和切应力参数，并验证两者之间的正比例关系即剪切胡克定律的正确性，从而测量材料切变模量G.提出用受扭薄壁圆管实例辅助证明切应力互等定理.研究结果有助于提高教学质量.     

Lattice树脂蜂窝填充CFRP薄壁方管的吸能特性

提出了一种3D打印Lattice树脂蜂窝填充碳纤维增强复合材料(CFRP)薄壁方管的吸能设计方法,并通过万能材料试验机开展了Lattice树脂蜂窝、CFRP薄壁方管以及Lattice树脂蜂窝填充CFRP薄壁方管在轴向承载状态下的准静态力学行为研究。结果表明,在相同受载情况下,Lattice树脂蜂窝填充CFRP薄壁方管的承载力与吸能量远高于Lattice树脂蜂窝与CFRP薄壁方管之和。     

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。     

薄壁平面件真空多孔吸具的力学特性与优化设计

针对薄壁平面件刚性差、装夹易变形、装夹困难等问题,基于圆周简支平板变形理论,提出了薄壁平面件在切削状态下吸附力学特性的数学模型及其真空平面多孔吸具优化设计方法,分析了吸附装夹的吸具吸孔设计布局与真空度对薄壁平面件加工中的变形耦合影响规律。理论分析表明,加工确定尺寸薄壁件吸孔的数量越少,孔径越小,则所需真空度越大;对于优化确定的吸孔设计布局,真空度越大则薄壁平面件装夹及切削过程变形越大。通过有限元仿真和6061铝合金薄壁平面件装夹试验,验证了多孔吸具优化设计的有效性。优化设计的有限元分析表明,工件静态装夹变形能够控制在纳米量级。吸具样件加工试验结果表明,采用优化后的吸具装夹,可使加工后的薄壁件平面度公差控制在500 nm以内。此设计方法可为薄壁类零部件的吸具设计与装夹提供参考。     

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。