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。     

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。     

复合材料圆柱壳轴向压缩和碰撞的数值研究

运用MSC／DYTRAN有限元软件结合参数等效的方法，对复合材料圆柱壳的准静态轴向压缩和低速碰撞过程进行了数值模拟，获得了反映复合材料圆柱壳吸能能力的载荷-位移曲线、峰值载荷、平均载荷等重要参数．将计算结果与试验结果进行对比，发现两者吻合较好，说明采用参数等效的方法可以得到复合材料结构耐坠撞性设计中需要的吸能数据．     

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。     

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.      

复合材料圆柱壳体结构缓冲吸能特性的实验分析和数值模拟

本文的研究工作围绕复合材料层合圆柱壳受轴向冲击作用下的动力学问题展开。首先通过准静态压缩实验对标准型和采用花瓣型引发方式的玻璃纤维增强复合材料（GFRP）圆柱壳体的缓冲吸能特性进行了系统的研究对比。之后运用ANSYS,基于失效准则判断的模型对落锤冲击下层合壳体的动力响应过程进行了仿真模拟,发现模拟的数值结果与关键性实验数据能较好地吻合,并且利用此模型预测了花瓣型圆柱壳体的冲击破坏行为。     

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.     

螺旋缠绕式圆筒型蜂窝吸能特性研究

提出了一种螺旋缠绕式结构的圆筒型蜂窝,应用MSC.patran软件对该种结构的圆筒型蜂窝进行轴向静态压缩的仿真计算。仿真研究发现螺旋缠绕式圆筒型蜂窝在压缩过程中受力稳定、变形均匀,并无明显的开裂现象。采用500 t压力机对螺旋缠绕式圆筒型蜂窝进行准静态压缩实验,实验结果与仿真计算结果吻合良好,验证了仿真计算的正确性;并且实验得出平均应力、压缩行程比以及体积比吸能均优于普通六边形蜂窝,进而验证了圆筒型蜂窝的优良吸能特性,该结构可以作为一种理想的缓冲吸能材料,为轨道交通领域追求轻量化、小型化的被动安全设计提供技术参考。     

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.     

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.      

铝合金型材的冲击压溃载荷特性研究

为了确定Riera公式中的压溃载荷,基于材料实验机和霍普金森压杆实验系统,对铝合金型材在轴向准静态和不同速度冲击加载作用下的静、动态压溃行为进行了研究,得到了多种尺寸和形状规格型材在静、动态压溃过程的载荷时间曲线,以及峰值压溃载荷和平均压溃载荷随冲击速度的变化规律.分析结果表明,Riera公式中的压溃载荷采用平均压溃力是较好的选择,铝合金型的动、静态压溃力的差异来自结构的横向惯性效应.通过量纲分析,在进一步整理实验数据的基础上得到了适用于准静态和冲击加载作用的铝合金型材统一的平均压溃力经验公式.     

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。     

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。     

含孔薄壁方管结构吸能的数值模拟研究

针对含孔薄壁方管的力学性能有较大差异的问题,对于不同结构的铝合金薄壁方管,分别进行轴向冲击载荷作用下的有限元数值模拟的动态力学行为研究. 比较了各种薄壁开孔结构的能量吸收性能,及其耐撞性的各种参数,如比吸能(SEA)及平均破坏力、峰值破坏力等. 研究结果表明,与无孔方管对比,开孔方管初始峰值载荷变化很小,但是其比吸能有不同程度的变化. 在本文研究的范围内,开孔位置为L₀=0.50L的4方孔方管吸能效果最好.     

输电线路用EPS混凝土缓冲吸能特性的数值研究

EPS混凝土具有更加显著的缓冲吸能能力,特别适用于重要输电线路防撞设施.利用数值模拟的方法对两种粒径的泡孔/EPS混凝土进行了数值计算,克服了实验中难以把泡孔和EPS颗粒完全对应的问题,进而研究了泡孔混凝土和EPS混凝土在冲击载荷作用下的缓冲吸能性能.     

管材壁厚对双直径圆管吸能元件成形与自由翻转的影响

利用ABAQUS 6.14软件模拟了在不同壁厚下,材料为20钢双直径圆管吸能元件的液压胀形、折叠和自由翻转的过程.并分析了不同壁厚下液压胀形与折叠后的壁厚分布,准静态压缩翻转变形模式以及准静态压缩时翻转力与翻转半径与推导公式之间的关系.结果表明：壁厚减薄程度与管材初始壁厚大小有关;20钢双直径圆管成形后发生轴向压缩时其自由翻转的模式多为内管外翻;推导的翻转力与翻转半径理论公式与实际测得翻转力与翻转半径的结果比较吻合.     

复合材料层合圆柱壳体缓冲吸能的实验与模拟

根据复合材料层合圆柱壳体受轴向冲击作用下的动力学,通过准静态压缩实验对标准型和采用花瓣型引发方式的玻璃纤维增强复合材料(GFRP)层合圆柱壳体的缓冲吸能特性进行了研究,运用ANSYS/LS-DYNA基于Chang-Chang失效准则判断的模型对落锤冲击下复合材料层合圆柱壳体的动力响应过程进行了模拟,标准型复合材料层合圆柱壳体模拟的结果与关键性实验数据能较好地吻合,其中4ms时刻的速度、位移、加速度以及加速度峰值的误差分别为19.5%,12.0%,6.4%,14.6%.而花瓣型复合材料层合圆柱壳体在引发方式上的改进使得材料在比吸能上有所提高,而且能极大地降低初始荷载峰值并延长到达峰值所需的压溃位移长度.利用基于Chang-Chang失效准则判断的模型可准确模拟压溃过程和材料的失效现象.     

3D打印TPMS多孔材料力学性能数值仿真

基于三周期极小化曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)理论,设计了不同相对体积占比的螺旋二十四面体单胞模型以及拓扑模型,并通过有限元仿真软件计算了不同冲击速度下结构的力学响应,对其应力分布、力-位移曲线、承载能力、吸能效率等方面进行了分析和探讨。数值模拟结果表明,TPMS拓扑结构多孔模型具有优秀的吸能性能,相对体积和冲击速率的提升均会导致结构吸能总量及效率的升高;并且在相同条件下,多胞体的吸能效率较单胞有所提升。同时该结构在受到冲击载荷时应力分布均匀,不易产生应力集中现象;其承载能力随着相对体积分数的增加有明显的提升;结构表现出一定的应变率敏感性,高应变率下结构的坍塌力和平台力有显著提高。研究结果为多孔材料工程产品优化设计提供了相关依据。     

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.     

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.