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．     

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.     

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.     

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.     

爆炸载荷下层级蜂窝铝夹芯板的动力响应分析

通过在正六边形蜂窝结构的节点上增加次级六边形蜂窝结构,形成一种层级蜂窝芯层结构,利用LS-DYNA有限元软件分析了层级蜂窝铝夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应和吸能特性,研究了载荷与芯层构型对结构变形和能量吸收的影响,并与传统蜂窝铝夹芯板进行了对比.结果表明:在所研究的范围内,当载荷较小时,传统蜂窝铝夹芯板的后面板挠度较小;当载荷较大时,多层级蜂窝铝夹芯板的后面板挠度较小,抗冲击能力较好,并且这种优势随着载荷的增加愈加明显;改变芯层层级参数对结构后面板挠度的影响较小,但对芯层比吸能有较大的影响,当层级参数为0.1时,芯层比吸能最高.     

一种新型冲击吸能薄壁管的设计和控制原理

以局部表面纳米化区域的形状、尺寸和孪晶间距作为设计变量,以薄壁管的比吸能作为目标函数,以最大冲击载荷限制、边界条件和加载方式等因素作为约束条件,对薄壁管屈曲模式和吸能效果进行优化设计.结果表明,经优化的局部表面纳米化,不仅可诱导和控制薄壁管稳定渐进紧凑的屈曲模态,而且使薄壁管大大提高吸能效果以及保持原结构的外形.从而提出一种新型吸能薄壁管的设计原理和技术,实现薄壁管吸能效果的最大化和吸能结构的设计思路.     

基于CONWEP算法聚脲钢板复合结构变形的数值模拟

针对爆炸载荷作用下的聚脲钢板复合结构,基于非线性有限元软件LS-DYNA,利用CONWEP算法对聚脲复合钢板结构在爆炸载荷作用下的结构变形进行数值模拟分析,并与试验结果进行了对比.结果表明,CONWEP算法能够很好的模拟聚脲钢板复合结构在爆炸载荷作用下的变形.在相同钢板厚度条件下,聚脲钢板复合结构的最大变形挠度要小于裸钢板结构.从吸能特性来看,聚脲弹性体有良好的吸能特性,聚脲钢板复合结构中钢板的吸能要低于裸钢板,使得复合结构中钢板的变形要小于裸钢板.     

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.     

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。     

不锈钢地铁车辆设计及整车碰撞研究

针对地铁车特点进行不锈钢地铁车被动安全设计时难点之一是其端部吸能结构的耐撞性设计。本文依据地铁车体耐撞性设计理念,在车体端部结构中设计整体承载式专用吸能结构。建立头车及中间车车体有限元模型,进行编组列车的碰撞数值仿真。研究结果表明：整体承载式专用吸能结构在撞击过程中发生稳定有序的塑性变形,冲击能量的47％转化为专用吸能结构的塑性变形,表明该车的耐撞性符合设计理念。     

不锈钢地铁车辆设计及整车碰撞研究

针对地铁车特点进行不锈钢地铁车被动安全设计时难点之一是其端部吸能结构的耐撞性设计。本文依据地铁车体耐撞性设计理念,在车体端部结构中设计整体承载式专用吸能结构。建立头车及中间车车体有限元模型,进行编组列车的碰撞数值仿真。研究结果表明:整体承载式专用吸能结构在撞击过程中发生稳定有序的塑性变形,冲击能量的47%转化为专用吸能结构的塑性变形,表明该车的耐撞性符合设计理念。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

基于载荷设计的电动飞机复合材料机翼结构优化方法及试验验证

基于柔度法静气弹分析方法,对电动飞机复合材料机翼考虑气动弹性载荷的结构优化方法进行研究。以考虑翼型弯度的涡格法计算机翼气动载荷,并与CFD计算结果进行对比,验证其准确性。使用遗传算法对机翼结构进行铺层优化,以铺层度及铺层角度百分比为优化变量,结构重量最低为优化目标,强度及复合材料工艺性作为设计约束,对机翼结构进行优化,计算强度时考虑气动弹性载荷。最后通过静力试验验证仿真结果的准确性。研究表明直机翼考虑气动弹性载荷后翼根弯矩、剪力及扭矩均有增加,基于该优化方法可设计合适的机翼结构刚度,在满足强度设计要求同时能达到减重目的。     

汽车前碰撞中仪表板对乘员的保护性研究

对汽车仪表板和仪表板横梁的结构进行研究,在提升汽车前碰撞对乘员保护性的前提下对其吸能效果进行优化。首先介绍了乘员损伤评价标准和影响损伤的各种因素;其次对各种气囊的保护性及不足之处进行了介绍,在此基础上提出了代替辅助气囊的仪表板乘员保护结构,并对该保护结构的变形量和吸能性进行了力学层面和设计方法上的分析;最后对比了安装膝部气囊和膝部吸能部件的2种仪表板的实车前碰撞试验结果,对今后的结构吸能性的优化设计和研究具有实际意义。     

纤维缠绕复合材料夹芯圆柱体轴压力学模型及复合吸能机制

为了从结构力学角度揭示纤维缠绕复合材料夹芯圆柱体在轴向压缩载荷作用下的复合吸能机制,建立了该结构的轴压力学模型,在考虑静力学平衡条件以及表层和芯材间位移协调条件的基础上,建立了表层侧向约束应力和芯材轴向压缩变形间的关系,重点分析侧向约束应力对结构损伤吸能机制的影响,探讨了表层和芯材设计参数间的影响规律.进一步开展的试验研究和破坏模式分析结果表明,该力学模型有效揭示了纤维缠绕复合材料夹芯圆柱体的复合吸能机制,指导了该结构的参数化设计.      

车辆防护座椅性能及缓冲吸能器性能分析

抗爆炸冲击座椅广泛应用于我国军用车辆,其缓冲吸能组件特性直接决定座椅防护性能的优劣。为使乘员损伤达到最小,针对某型军用车辆在底部爆炸环境下乘员防护性能进行研究。通过实车底部爆炸试验获取的座椅安装点冲击信号,利用座椅冲击试验台测量不同参数缓冲吸能组件载荷-位移特性,通过有限元模型对试验进行验证和优化。以AEP55乘员伤害准则为目标,研究某军用车辆座椅防护性能提升方法。结果表明,改进后的缓冲吸能组件载荷-位移特性曲线能够显著降低乘员损伤并充分利用座椅行程。为后续座椅缓冲吸能组件设计优化提供导向。