泡沫铝填充薄壁铝合金多胞构件与单胞构件吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的吸能能力,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的数值仿真。对经典薄壁圆管试验及泡沫铝填充薄壁圆管试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟泡沫铝填充薄壁圆管在轴向冲击过程中的撞击力和变形发展。基于该模型对比研究了不同因素下泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的轴向吸能特性,分析了其破坏模式、吸能机理和两者吸能效率。结果表明:在轴向冲击荷载作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金的破坏模式为轴对称渐进折叠破坏模式,冲击力-位移曲线和变形模态图显示其变形过程分为3个阶段:弹性阶段、平台阶段和强化阶段。当冲击压缩距离为构件高度的80%时,7种不同参数下的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构的吸能效率明显高于7种单胞结构,吸收的能量E和比吸能SEA都提高了50%以上,是一种优秀的吸能构件,可广泛应用于防护工程中。     

夹芯梁结构有效性能的多尺度变分渐近模型

为有效分析夹芯梁结构性能,基于变分渐近法建立多尺度变分渐近模型。首先基于旋转张量分解概念建立三维夹芯梁几何非线性的能量方程;利用梁结构细长和非均质较小的特征,将三维夹芯梁结构各向异性、非均质问题严格分解为宏观层面的梁轴线的一维非线性分析和细观层面的单胞本构分析。基于最小势能原理,通过对单胞应变能泛函变分主导项最小化得到有效属性和波动函数解,代入梁的一维模型进行全局非线性响应分析。利用得到的全局响应、波动函数解重构局部场。由于变分特性,构建多尺度模型可以很容易通过有限元数值实现。通过三类夹芯梁结构算例表明:构建模型得到的全局位移和局部应力场与三维有限元具有很好的一致性,但计算成本和建模工作量明显减少,为结构设计人员在初始设计阶段对夹芯梁结构性能评估提供了一种简洁的途径。      

泡沫铝填充薄壁铝合金多胞板与单胞板吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞板(MCP)与单胞板(SCP)的吸能能力,该文设计了6种不同截面的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞板与1种单胞板,并基于非线性有限元软件LS-DYNA建立了相应的数值模型。对经典铝合金板耐撞击试验及泡沫铝夹芯板耐撞击试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能较好的模拟泡沫铝夹芯板在冲击过程中的撞击力、挠度和变形形态。基于此模型对比研究了不同因素下多胞板与单胞板的吸能特性,分析了其破坏模式和吸能机理,最后通过正交试验的方法分析了不同因素下的吸能效率以及多胞板最优截面类型的选取。结果表明：在面外冲击作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金板的破坏模式为对称圆锥式破坏,冲击力-位移曲线和变形图显示其变形过程分为两个阶段：弹塑性变形阶段和回弹阶段;在发生相同位移时,18种不同参数的多胞板,其吸收的总能量(E)和比吸能(SEA)相对于单胞板都提高了400%以上,是一种更具吸能特性的板,可广泛应用于防护工程。     

缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测与试验验证

基于材料细观结构,建立了缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测模型,并进行了刚度性能的相关试验验证。其中,对缝纫复合材料层合面板部分,考虑了缝纫角对单胞尺寸和富脂区大小的影响,以及缝纫前后层合面板厚度的变化对复合材料面板纤维体积含量的影响,采用改进的纤维弯曲模型计算了缝纫复合材料层合面板的刚度;对缝纫增强的泡沫夹芯部分,把缝线树脂柱看作是泡沫基体中的增强相,将其简化为特殊的单向增强复合材料,提出了用串并联组合模型来预测其刚度。试验测试了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件的刚度。应用本文模型对缝纫层合面板和缝纫泡沫夹芯复合材料板的刚度进行预测,结果均与试验结果吻合较好。采用理论模型系统研究了缝纫参数和结构参数对缝纫泡沫夹芯复合材料刚度的影响。     

新颖圆形多胞复合填充结构的耐撞性

提出一种新颖的圆形多胞复合填充结构,该结构采用蜂窝和泡沫两类材料的交错复合填充。采用实验验证与数值研究相结合的方法,系统地研究了蜂窝和泡沫材料在全填充、部分填充及交互填充结构中的耐撞性。研究结果表明,针对单一材料填充的多胞圆管,部分填充结构比全填充结构具有更好的耐撞性能,其中,环形蜂窝填充结构（H40）和中心泡沫填充结构（F01）具有更优异的能量吸收特性。针对双材料复合填充的多胞圆管,则是中心泡沫填充与环形蜂窝填充的复合结构（F01H40）具有最佳的耐撞吸能性。最后,进一步结合Kriging近似技术与粒子群数值优化方法,对复合填充结构进行多目标优化设计,探索其最优耐撞性与最优参数匹配。结果表明,环形蜂窝部分填充结构（H40）、中心泡沫填充与环形蜂窝填充的复合全填充结构（F01H40）具有最优的耐撞性能。     

缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击的多尺度数值方法

为了发展缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击损伤的多尺度分析方法, 建立了缝合泡沫简化力学模型, 将缝合泡沫等效为缝线树脂柱增强的正交各向异性芯材, 其材料参数由各组分性能及所占体积分数根据均一化理论计算得出; 同时, 建立冲击试验有限元模型, 通过界面元模拟面板与芯材之间的层间分层。采用GENOA渐进损伤分析模块对缝合结构冲击动态响应过程进行数值模拟, 并将计算结果与试验记录进行对比分析。结果表明: 缝合可以减小面板破坏面积, 抑制面板与泡沫分层的扩展; 但缝纫会对结构造成初始损伤, 较高的缝合密度使芯材刚度增加, 不利于泡沫结构的缓冲吸能。数值模拟结果与试验记录吻合良好, 验证了多尺度分析方法的正确性。     

多层异质复合结构的动力学响应及抗侵彻性能

为研究多层异质复合结构动力学响应及抗侵彻性能,利用霍普金森试验装置,对不同材料排布顺序及含泡沫铝夹芯的多层复合结构进行冲击加载,通过贴在入射杆和透射杆上的应变片测得入射波、反射波、透射波波形,验证数值仿真模型正确性;结合数值模拟,研究不同结构对试件内部应力波传播特性和应力场分布影响规律;依据复合结构动力学响应特征,设计复合靶板并进行抗侵彻试验,分析靶板塑性变形特征及抗侵彻耗能机制;通过数值模拟分析泡沫铝夹芯厚度对防护性能影响。结果表明,装甲钢后置复合结构及含泡沫夹芯结构有助于减缓应力集中,减小陶瓷损伤面积;泡沫铝夹芯过厚难以为靶板变形提供支撑,降低抗侵彻阻力;五种夹芯厚度h=2 mm、h=5 mm、h=10 mm、h=20 mm、h=30 mm中,h=10 mm对应多层异质复合靶防护性能最优。      

新型CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性研究EI北大核心CSCD

点阵夹芯结构因其优异的力学性能、出色的能量吸收能力、独特的功能性,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而,传统点阵夹芯结构在面外压缩载荷下存在应力分布不均匀、节点应力集中等缺点。为了解决上述问题,该研究基于体心立方结构(body-centered cubic,BCC)提出了一种新型的余弦函数单元基(cosine function cell-base,CFCB)点阵结构。为了研究CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性,制备了CFCB点阵夹芯结构,开展了准静态压溃试验,并与BCC点阵夹芯结构的试验结果进行对比。结果表明,CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下的承载与能量吸收能力明显优于BCC点阵夹芯结构。随后,基于有限元模型,系统揭示了芯子单胞直径、幅值、周期长度等胞元参数及厚度方向上的单胞层数对CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下吸能特性的影响。相关研究成果有望为新型CFCB点阵夹芯结构设计提供参考。     

泡沫铝夹芯结构抗平头弹侵彻理论分析模型

为研究泡沫铝夹芯结构抗平头弹侵彻的理论分析模型,将弹体侵彻泡沫铝夹芯结构的过程分为三个阶段:前面板剪切失效、泡沫铝压缩剪切和后面板隆起开口。根据夹芯结构各组成部分的破坏模式,结合牛顿运动定律和能量守恒建立了各阶段的理论计算模型;通过理论计算模型分析了泡沫铝夹芯结构各组成部分在抗弹过程中吸能情况。结果表明,该理论模型计算结果与试验结果吻合良好,两者最大误差不超过10%。泡沫铝夹芯结构抗弹过程中,泡沫铝芯层吸能最多,占总吸能的48.9%;其次是后面板吸能,前面板吸能最少。前、后面板的吸能差别是因为两者在弹体侵彻过程中变形失效模式不同。     

复合泡沫填充管的高g值冲击防护特性

目的 为避免或减小高g值冲击对弹内轻质元器件的破坏,应加强对轻质元器件缓冲防护结构的研究。方法 基于新型复合泡沫和通孔泡沫铝的2种泡沫填充管,通过万能试验机和落锤冲击系统研究了2种泡沫填充管的静动态力学特性,并运用数值模拟方法研究高g值冲击下等质量的泡沫填充管与夹芯管的加速度缓冲效果和吸能机制。结果 数值模拟所得结构变形和落锤加速度与实验结果较为一致,验证了数值模拟方法的可靠性。复合泡沫平台应力具有显著的应变率效应,其填充管压溃载荷平稳且高于泡沫铝填充管,比泡沫铝填充管体现出更优异的高过载防护性能。等质量的泡沫夹芯管的抗冲击性能优于填充管,2种泡沫填充而成的夹芯管具有相似的高过载防护性能,泡沫材料压缩行为对夹芯管压溃载荷特征的影响低于填充管。结论 所得结果对轻质元器件的高g值缓冲防护有较强的指导意义。     

A comparative study of energy absorption characteristics of foam-filled and multi-cell square columns

A comparative study of energy absorption characteristics between foam-filled square columns and multi-cell square columns was conducted by using nonlinear finite element codes LS-DYNA. The columns and the foam were made of the same material aluminum and the thickness of all sidewalls of columns was kept 1.5 mm. Numerical results compared well with theoretical predictions and showed that the energy absorption efficiency of multi-cell columns was about 50–100% higher than that of foam-filled columns. It means that multi-cell columns were more attractive than foam-filled columns and the reason for this was analyzed by a comparison of the collapse modes. Furthermore, a type of pre-crushed trigger was introduced and modeled for multi-cell columns. This type of trigger was found to be effective to eliminate the initial peak force and improve the efficiency of a multi-cell column as an energy absorber.     

诱导结构对泡沫铝填充薄壁方管轴向压溃特性影响的研究

建立了泡沫铝填充薄壁方管的有限元模型,利用试验对泡沫铝填充薄壁方管的有限元模型的准确性进行了验证。研究了诱导结构的类型和数量对泡沫铝填充薄壁方管的轴向压溃变形模式、初始峰值力、压溃力效率和能量吸收能力的影响,结果表明:设计诱导结构可以提高能量吸收能力、减小初始峰值力、增加压溃力效率,甚至可以改变压溃变形模式。沿薄壁方管的轴向方向合理地增加诱导结构的数量,可以进一步的减小初始峰值力、增加压溃力效率、提高结构的能量吸收能力。通过等级评价方法,确定沿薄壁方管的轴向方向设计4组诱导四角方孔可以使泡沫铝填充薄壁方管获得最佳的综合吸能特性。     

面向星球探测的高速撞击穿透器缓冲防护设计与仿真分析

高速撞击穿透器以碰撞的方式嵌入天体内部,由于其着陆速度大,碰撞产生的过载严重,为了保证科学载荷在碰撞后能正常工作并且足够灵敏,必须对其进行减振防护。该研究对穿透器的减振结构进行设计,采用非线性有限元技术对穿透器的侵彻过程进行仿真分析,确定了穿透器的着陆速度,并研究了主要减振结构,即泡沫填充铝薄壁管,在碰撞载荷作用下的动态响应和能量吸收问题。从分析结果看,泡沫铝填充薄壁管在隔冲效率和能量吸收方面有较好的效果。     

Bending behavior of empty and foam-filled beams: Structural optimization

Bending crash tests on empty and foam-filled square aluminum beams have been performed. Furthermore, in order to find more details about crash processes, finite element simulations have been done. In terms of improving crash behavior of the aluminum beams, the crashworthiness optimization procedure has been applied to maximize specific energy absorption of the square beams with the target energy absorption. A comprehensive study about the strengthening effect of foam in the filled beam has been performed and finally the optimization technique has been implemented to find the optimum foam-filled beam that absorbs the same energy as optimum empty tubes with lower weight.     

聚脲弹性体夹芯防爆罐抗爆性能研究

应用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对三种防爆罐在1.2kgTNT爆炸载荷作用下的动态响应过程进行数值模拟。研究了无夹层、聚脲弹性体夹层和橡胶夹层防爆罐的抗爆性能。分析了不同夹层对防爆罐整体变形的影响,并分析了聚脲弹性体和橡胶夹层的吸能特性。通过聚脲弹性体夹层防爆罐在爆炸载荷作用下的变形试验研究,验证了数值计算结论的可靠性。结果表明,在相同爆炸载荷作用下,无论是在变形还是在能量吸收方面,聚脲弹性体夹层防爆罐都要优于无夹层防爆罐和橡胶夹层防爆罐;冲击波在聚脲弹性体传播过程中衰减幅度最大。     

Bending behavior of aluminum foam-filled double cylindrical tubes

Quasi-static experiments and numerical simulations are carried out to study three-point bending behavior of a new kind of structures, i.e., double cylindrical tubes filled with closed-cell aluminum foam. The deformation and failure mechanism of this new structure were observed and analyzed numerically using the finite element method. It is revealed that the stress distribution and fracture of the foam-filled double-tube structure are different from those of an empty tube and foam-filled single tube. Two cracks were found experimentally, and both experiments and numerical simulation show that cracks initiated in the aluminum foam. In comparison with empty and foam-filled single tubes, the load-carrying capacity of this new structure is much steadier, the bending resistance is enhanced, and the weight efficiency of energy absorption is higher. Parameters affecting the performance of the foam-filled double-tube structures are also studied.     

Multiobjective crashworthiness optimization design of functionally graded foam-filled tapered tube based on dynamic ensemble metamodel

Foam-filled thin-walled structures have recently gained attention with increasing interest due to their excellent energy absorption capacity. In this study, a new type of foam-filled thin-walled structure called as functionally graded foam-filled tapered tube (FGFTT) is proposed. FGFTT consists of graded density foam and thin-walled tapered tube. In order to investigate the energy absorption characteristics of FGFTTs, the numerical simulations for two kinds of FGFTTs subjected to axial dynamical loading are carried out by nonlinear finite element code LS-DYNA. In addition, a new kind of multiobjective crashworthiness optimization method employing the dynamic ensemble metamodeling method together with the multiobjective particle swarm optimization (MOPSO) algorithm is presented. This new kind of multiobjective crashworthiness optimization method is then used to implement the crashworthiness optimization design of FGFTTs. Meanwhile, the crashworthiness optimization designs of FGFTTs are implemented by using traditional multiobjective crashworthiness optimization method, which employs metamodels such as polynomial response surface (PRS), radial basis function (RBF), kriging (KRG), support vector regression (SVR) or the ensemble with the static design of experiment (DOE). Finally, by comparing the optimal designs of FGFTTs obtained by using the new multiobjective crashworthiness optimization method and the traditional one, the results show that the proposed new crashworthiness optimization method is more feasible.     

Experimental studies on the quasi-static bending behavior of double square tubes filled with aluminum foam

Quasi-static experiments were performed on empty tubes and aluminum foam-filled single and double tubes to study the effects of different filler arrangements on their three-point bending behavior. The load-carrying capacity and energy absorption of different structures are compared. The results confirm the advantage of the foam-filled structures. In particular, the double tube structure with aluminum foam filler enhances the load-carrying capacity, crashworthiness, and total and specific energy absorptions of the structure, in comparison with the foam-filled single tube. It was also found that increasing the wall thickness of the inner tube improves the performance of the structure within the experimental range, and adhesion between foam and tube has a negative effect.     

碳纤维铝蜂窝夹芯复合结构隔声性能研究

铝蜂窝夹芯复合结构在航空工业、高速列车及汽车车体中得到越来越多的应用,其隔声性能对车内及机舱噪声有重要影响。建立了碳纤维铝蜂窝夹芯复合结构有限单元模型,用有限单元法计算了结构在声载荷激励下的响应,并计算分析了复合结构的隔声性能,分析了碳纤维复合面板厚度、面板层数、铺设角度、铝蜂窝芯层的厚度、铝蜂窝壁厚对隔声性能的影响。研究结果表明,面板采用碳纤维复合结构时,在小于1 000 Hz的低频段,相同面板厚度的铝蜂窝复合结构隔声性能比全铝合金材料的铝蜂窝夹芯复合结构有所降低,而且在高频段会出现隔声量更低的隔声低谷;相较于铝合金面板,复合结构的面板采用碳纤维复合材料时,能够实现整体结构轻量化也提高复合结构的隔声性能;各层之间按相对90°铺设时复合结构隔声性能最好;随着面板厚度的增加复合结构隔声性能增加,面板层总厚度不变的情况下,单层面板或者过多的层数都会使复合结构隔声性能降低。