负泊松比效应防护结构抗爆抗冲击性能影响因素

研究了宏观负泊松比效应蜂窝夹芯结构胞元壁厚、胞元层数和胞元泊松比等参数对弹体侵彻及水下抗爆等防护性能的影响.模拟弹体在空气中对宏观负泊松比蜂窝夹芯舰船防护结构的侵入和穿透过程,以及蜂窝夹芯防护结构在水下爆炸冲击载荷作用下的破坏形式.计算结果表明:单纯依靠结构性的被动防御无法应对高速或超高速弹体的侵彻问题;负泊松比效应蜂窝夹芯防护结构较传统防护结构具有良好的水下抗爆性能,且其水下抗爆性能随蜂窝胞元层数和胞元泊松比的增大而增强.     

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.     

胞元缺失对蜂窝结构面内力学性能的影响

为了研究胞元缺失对蜂窝结构面内力学行为的影响,建立了负泊松比蜂窝结构有限元模型,并验证了模型的可靠性。对缺失比例及缺陷类型对蜂窝结构的面内力学性能的影响进行了比较分析。通过分析含缺陷蜂窝结构在特定等效应变下的蜂窝结构变形模式、归一化塑性能量损耗以及它们在相同归一化初始动能条件下的抗冲击能力等,讨论了蜂窝结构对缺失比例和缺陷类型的敏感程度。结果表明,在低速(2 m/s)压缩情况下,胞元缺失比例和缺陷类型均对蜂窝结构的塑性能量损耗有显著影响。但随着压缩速度的增大,这种影响逐渐减弱。另外,胞元缺失对蜂窝结构的抗冲击性能也有影响。该文研究可为蜂窝材料的工程设计提供参考。     

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。     

基于能量法不同壁厚类蜂窝共面力学性能研究

基于三明治蜂窝夹层板理论,运用能量法对等壁厚和双壁厚类蜂窝夹芯结构的共面等效力学特性进行研究,推导类蜂窝夹芯结构的共面等效弹性常数的计算公式,同时通过实例对比分析等壁厚与双壁厚类蜂窝夹芯的共面等效弹性参数.研究结果表明:运用采用能量法与改进Gibson公式得到的共面等效弹性常数的计算公式结果一致,进一步验证了类蜂窝胞元等效模型的正确性,以及能量法推导过程的合理性;同时从不同壁厚类蜂窝力学特性对比中可以看出,随胞元壁厚与胞元边长之比逐渐增大,等壁厚与双壁厚类蜂窝的共面等效弹性参数差别也越来越大,该结论为进一步研究由不同壁厚蜂窝夹芯构成的蜂窝夹层结构的整体力学性能提供了参考.     

泡沫填充类蜂窝夹层结构的耐撞性

本文创新构型一种聚氨酯泡沫填充类蜂窝夹芯结构,取类蜂窝胞元壁厚分别为0.3、0.5、1.0 mm,运用数值模拟方法对该填充结构在不同冲击速度作用下的耐撞性进行了系统研究,并分析了类蜂窝胞元壁厚对结构耐撞性及变形机制的影响.结果表明,在7、14、33 m/s冲击载荷作用下,类蜂窝胞元壁厚为0.3 mm填充结构的比吸能、载...     

多段填充复合蜂窝结构的动态响应特性研究

基于多胞材料独特的力学性能和微结构可设计性强的优势,提出一种多段三角形和六角形蜂窝填充能量吸收复合结构模型.利用显式动力有限元方法对该模型的动力响应特性和比吸能进行研究,重点讨论了不同恒定冲击速度下,蜂窝结构的排布及其相对密度对复合蜂窝结构宏观变形、动态平台应力、冲击载荷一致性和能量吸收能力的影响.研究结果表明,所设计的多段填充复合蜂窝结构能够让轴力和弯曲变形共同参与整体变形,实现I类和II类能量吸收结构的优势互补.通过对各段内微结构及段长的合理选择,复合蜂窝结构的冲击载荷效率明显提高,冲击应力波动幅度明显降低,能够有效地提高并控制蜂窝结构能量吸收效率.本文对完善多胞结构的耐撞性设计方法和控制能量吸收过程具有指导意义.     

新型负泊松比梯度结构缓冲性能

在传统内凹六边形蜂窝结构的基础上，结合甲虫鞘翅结构提出一种新型负泊松比蜂窝结构，基于有限元软件Abaqus/ Explicit仿真计算比较所提出的新型负泊松比结构与内凹六边形结构的抗冲击能力和能量吸收能力，以初始碰撞峰值力和比吸能为评价指标，结果表明新型负泊松比结构相较于内凹六边形结构的初始峰值力降低了28%，在压缩后程进入密实化阶段前结构吸能能力提高了35%.以胞元角度作为梯度变换参数来构造不同梯度排列的新型负泊松比结构，计算分析和对比不同梯度结构与均匀新型负泊松比结构的缓冲性能以及各结构在冲击过程中的变形模态，结果表明四种梯度结构均可强化结构的抗冲击能力，但在能量吸收性能上，分层递变正梯度结构（C3）的吸能能力较强.使用3D打印技术制作C3结构和均匀新型负泊松比结构的实验样件，进行准静态冲击实验，通过对比分析验证了仿真结果的正确性.本文研究结果表明：合理的梯度分布排列方式对提高结构的抗冲击性能和能量吸收能力有重要意义，为后续探索结构缓冲设计提供参考.     

基于三维多胞结构的汽车吸能盒优化设计

为改善汽车吸能盒在低速碰撞情况下的力学表现,将一种新型具有负泊松比效应的多胞结构设计为汽车前纵梁的吸能盒.通过对新型负泊松比多胞结构形状参数的研究,确立了多胞结构中特定的元胞几何参数及元胞层数作为优化变量,结构质量以及所吸收的能量作为优化目标.首先通过最优拉丁超立方的方法在变量空间内进行样本点的选取并采用ABAQUS进行有限元仿真计算,然后由Isight软件根据样本点的计算结果对优化变量与优化目标建立三阶响应面模型,最终采用NCGA对响应面模型进行优化.将优化结果进行RCAR(Research Council for Automobile Repairs)标准模型仿真计算,结果验证了这一新型负泊松比吸能盒可以在较小的质量下满足RCAR低速碰撞标准.     

粉质黏土冻结状态下的单轴压缩能量演化规律

为研究不同负温条件下粉质黏土的能量变化规律,以粉质黏土为研究对象,开展负温单轴压缩试验,并基于能量分析原理对不同冻结温度下粉质黏土能量演化规律进行研究.研究结果表明:冻结粉质黏土的单轴抗压强度、弹性模量以及外界吸收的总能量均与负温绝对值基本呈线性关系;总能量、弹性应变能及耗散能在同一应变下均随着负温绝对值的增大而增大,弹性应变能与轴向应变呈上凸曲线并与轴向应力同时达到峰值,在峰后跌落阶段迅速释放且保留一定残余值;由于不同冻结温度下粉质黏土内未冻水含量不同,单位温差下同一轴向应变值吸收总能量增长值与最终冻结温度绝对值成正比关系,且最终冻结温度绝对值对不同轴向应变条件下吸收总能量的贡献基本相同.     

不同卸荷路径下大理岩破坏过程能量演化规律

为寻找破坏过程中能量的实时演化规律,对大理岩进行不同路径的加、卸载试验,探讨岩体轴向能量、实际吸收的总能量随应变的演化规律。研究结果表明:在不同应力路径下,岩样轴向能量随应变的增加而呈非线性增大,初期能量增长速率较小,随后速率慢慢增大,在达到岩样临界破坏点时,出现1个速率的拐点,随后增长速率趋于稳定;在不同应力路径下,岩样破坏的轴向能量-应变曲线与总能量-应变曲线都存在1个速率突然变化的拐点,轴向能量的拐点出现在对应应力-应变曲线的破坏处,而总能量的拐点出现在对应峰值处。围压的变化没有改变不同路径下岩样的轴向能量-应变曲线的形式,但在不同围压下,加轴压、卸围压路径的总能量-应变曲线呈现不同的形式。卸围压速率没有改变轴向能量与总能量曲线的形式,只是改变曲线在不同阶段的变化速率。围压的增大,不同路径下岩样的轴向能量与总能量差增大,而卸荷速率的影响正好相反。     

基于Ansys的冲击载荷下蜂窝夹芯板的动力学响应

以四边固支铝基蜂窝夹芯板为研究对象,针对蜂窝夹芯板胞元中添加颗粒的位置及填充量对动力学响应的影响进行了Ansys数值模拟计算,并比较了不同条件下的蜂窝夹芯板应力应变值.结果表明:在冲击载荷下,蜂窝夹芯板胞元中添加颗粒后能很好地减小应力应变值,增大蜂窝夹芯板的吸能效果.颗粒填充范围为0.2~0.25,颗粒填充数为两粒时,蜂窝夹芯板的应力应变值最小,吸能效果最佳,过多的填充不仅不具有更好的吸能效果,反而会激振蜂窝夹芯板.     

新型类方形蜂窝夹芯结构泊松比研究

在用经典方法推导的六边形蜂窝夹芯的等效弹性常数中,代入了类方形蜂窝特征结构参数,得到了与前述两种方法推理同样的结果,证明了类方形蜂窝结构是六边形蜂窝结构的演变体.分析了经典蜂窝理论公式中的等效泊松比及其随胞元特征角的变化规律.对比六边形蜂窝结构(正泊松比)和内凹六边形蜂窝结构(负泊松比),根据结构变化的连续性证明了类方形蜂窝夹芯结构在面内两个特定方向上泊松比为零.分析了夹芯结构泊松比为零的理论意义和物理意义.这其中,发现了蜂窝夹芯结构的泊松比存在等于零的现象.     

具有吸能和承载特性的多孔结构拓扑优化

以负泊松比和刚度为优化目标,构建多目标拓扑优化模型.利用改进的优化准则(OC)算法求解该模型,得到兼具吸能和承载性能的多孔结构,并利用选择性激光熔覆技术(SLM)制造该多孔结构.通过对优化结构进行有限元仿真和压缩实验及分析,得到多孔结构的形变图、应力-应变曲线及能量吸收曲线.分析结果表明:等效刚度大的结构负泊松比值较小,受压内缩量小,平台应力和能量吸收量大,但易出现应力峰值;等效刚度小的结构负泊松比值较大,受压内缩效果明显,平台应力和能量吸收量小,但平台应力平稳,能量吸收增量大.模拟仿真和实验测试验证了本方法用于耐撞承载结构的拓扑优化设计的有效性.     

组合式铝蜂窝低速冲击响应特性实验研究

以组合式铝蜂窝为研究对象,通过改进SHPB系统,利用激光光通量位移计和PVDF压电薄膜测试技术,得到了铝蜂窝结构大应变低速压缩应力应变曲线;结合高速摄影分析了组合式铝蜂窝结构在低速撞击条件下的变形响应方式和吸能特性过程.结果表明,组合式蜂窝结构动态吸能可分为蜂窝嵌入过程和结构共同压溃两个阶段,对于厚度相同的两级组合式铝蜂窝结构这两个阶段的转换变形应变约为0.5,嵌入阶段所吸收的能量占总吸能比约为25%;组合蜂窝结构的吸能效率曲线存在两个相当的峰值,约为40%.与准静态结果对比,动态加载条件下,组合式蜂窝结构吸能效果更好.      

带隔板薄壁方管的耐撞性研究

基于显式有限元方法,应用LS-DYNA软件,对带隔板薄壁方管的耐撞性进行研究。研究结果表明:隔板提高了方管变形的稳定性;在准静态载荷下,初始压缩力峰值随壁厚的增加而增加,但隔板数对初始压缩力峰值的影响很小,结构的吸能量、比吸能、压缩力效率值均随壁厚和隔板数的增加而增加;Cowper-Symonds材料模型中硬化系数β对初始压缩力峰值没有影响,而吸能量随β的增加而增加,在压溃距离为600 mm时,硬化系数为1相比为0时,吸能量增加了8.97%;考虑应变率效应时,吸能量相比准静态时有显著提高,但应变率效应在低速时影响更加明显。     

类蜂窝结构的面内冲击特性研究

以类蜂窝结构为研究对象,讨论了不同冲击速度作用下该结构的面内冲击力学性能及能量吸收能力,并与传统的六边形蜂窝结构在不同方向冲击作用下的变形模式、比吸收能量进行了对比。研究结果表明:在低速冲击下,类蜂窝结构先后表现出V形、X形、K形及I形等局部变形特征;在中高速冲击下,类蜂窝结构中的六边形与四边形胞元交替压溃,并从冲击端的I形局部变形逐步扩展到固定端;随着冲击速度增大,类蜂窝表现出更强的能量吸收能力,且与六边形蜂窝相比,其能量吸收过程不受冲击方向的影响,更加稳定可靠。研究结论可望为进一步研究同一结构模型不同布置方式的类蜂窝结构的动态冲击特性提供依据。     

蜂窝结构柔性机翼蒙皮变形特性研究

对一种蜂窝结构柔性蒙皮进行了研究,基于Y模型分析了蜂窝结构拉伸变形力学特性。通过MSC.Patran/Nastran有限元仿真获得拉伸变形时蜂窝胞壁应力及应变分布。制备了层合板复合材料蜂窝结构蒙皮试件,进行了拉伸实验。结果表明:蒙皮试件倾斜胞壁靠近三个胞壁粘接处最先受到破坏,脱层位置与仿真结论一致,验证了所建立仿真模型的有效性。     

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.     

负泊松比结构的三点弯曲性能研究

该文研究了内凹六边形负泊松比结构的三点弯曲力学性能,基于显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA建立了该结构的有限元模型,进行了冲击试验仿真,并以单位质量吸能量(SEA)和碰撞力峰值(PCF)为评价指标,探究了胞元结构参数对其性能的影响。研究结果表明,胞元厚度增加或胞元高度降低,可使SEA与PCF同时增加;SEA随着胞元宽度的增大先升高后降低,而PCF则呈相反的趋势;SEA随着胞元内凹角的增大而减小,而PCF在内凹角较小及内凹角约45°时较大。因此,合理选择胞元参数对提高负泊松比结构的弯曲力学性能具有重要意义。