两种二级铝蜂窝结构缓冲吸能特性研究

该文对二级串联式铝蜂窝结构和二级组合式铝蜂窝结构的缓冲吸能特性进行比较,从而实现对铝蜂窝缓冲吸能结构装置优化设计。通过准静态异面压缩实验,对两种不同正六边形胞元的铝蜂窝进行测试,分别得到这两种二级铝蜂窝结构的压缩变形过程和应力响应曲线,并对其变形机理进行分析。实验结果表明,二级串联式铝蜂窝和二级组合式铝蜂窝均能实现梯度平台应力响应,这有利于二级缓冲吸能结构的工程应用。此外,对于单轴压缩,二级组合式铝蜂窝的嵌入过程只有一个应力峰值并且其能达到更高的压实程度,但是峰值应力值较大,有待进一步优化。在吸能特性方面,与同一尺寸的二级串联式铝蜂窝缓冲器相比,组合式铝蜂窝缓冲结构的单位体积吸能效果稍强,尤其是单位质量吸能效果更好,可为缓冲吸能结构的优化设计提供新的选择方式。     

胀环式飞船座椅缓冲器建模方法研究

为了对飞船座椅缓冲器参数进行优化设计,需要建立胀环式座椅缓冲器的仿真模型。基于塑性力学的相关理论,推导了胀环压入过程轴向力的计算公式,建立了胀环扩径变形的力学模型。使用LS-DYNA有限元软件,通过引入虚拟接触面的方法,采用壳单元建立了胀环式缓冲器的有限元模型。通过静态压缩试验和动态冲击试验结果,验证了两种仿真模型的有效性。该模型可以进一步应用于缓冲器参数优化设计研究,建模方法对于同类研究具有重要参考价值。     

不同规格蜂窝纸板缓冲性能的研究

通过静态压缩和动态压缩试验,研究蜂窝纸板的静态缓冲特性和动态缓冲特性与它的蜂窝芯柱、蜂窝孔径的关系.根据静态压缩试验所得的应力-应变曲线计算出蜂窝纸板的缓冲系数-应变曲线,根据动态压缩试验所得的最大加速度-时间曲线计算出缓冲系数-静应力曲线,为包装中蜂窝纸板的尺寸设计提供一定的参考.     

铝蜂窝“Y”形单元准静态压溃有限元模拟研究

目的基于胶接强度对铝蜂窝吸能特性的重要影响,利用铝蜂窝的最小周期结构——"Y"型单元研究铝蜂窝结构的异面压缩变形过程和能量吸收特性,以了解不同胶黏剂对铝蜂窝吸能性能的影响。方法以Von Mises本构模型来表征胶黏剂的力学性能,建立一种含胶层的"Y"型单元有限元模型,模拟铝蜂窝结构的压溃变形过程,并得到胶层的变形和失效现象。结果不同胶黏剂失效情况不同,与之对应"Y"型单元的平均压缩强度和能量吸能值也有区别。该模型能够有效地模拟铝蜂窝结构的压溃变形过程,并准确预报胶层的变形和失效。通过实验验证所建立的"Y"型单元有限元模型计算精度能够满足实际工程需要。结论通过对"Y"形的单元准静态的压溃有限元模拟,选择了合适的胶黏剂制造铝蜂窝,并为后续包装缓冲件深入研究打下了基础。     

考虑材料动态非线性影响的VLCC搁浅性能研究

对船舶搁浅相关冲击问题进行数值仿真计算时,合理可靠的材料输入是保证仿真结果准确性的基础。开展了船用低碳钢材料的准静态拉伸和高速拉伸试验,以试验结果为基础,通过相关计算及校准研究,考虑材料硬化、失效应变以及应变率敏感性,得到满足材料动态非线性要求的仿真材料输入方法及参数。在此基础上,利用非线性有限元软件ABAQUS对VLCC舱段结构搁浅触礁事故进行仿真计算,从损伤变形、搁浅载荷以及搁浅过程中的能量吸收情况等方面分析船体结构的搁浅性能。该研究成果可为大型结构冲击问题数值仿真中的材料非线性输入提供参考和依据。     

基于响应面方法的碳纤维蜂窝板有限元模型修正

蜂窝板是一种特殊的高强度轻质复合材料,在卫星等航天器结构中应用广泛。MSC/NASTRAN和ANSYS等大型通用有限元软件中没有蜂窝结构单元库,只能用蜂窝板等效结构参数进行计算,等效过程中的简化导致有限元计算结果与试验测量值之间存在差异。基于响应面的模型修正方法可以避免每次迭代都调用有限元程序,提高计算效率。依据三明治夹芯板理论计算蜂窝芯等效结构参数,用ANSYS中的SHELL91单元建立多铺层碳纤维蜂窝板模型,用基于均匀设计的试验设计方法进行试验设计,获得蜂窝板在各因素和水平下的试验数据,构造二次多项式响应面,并用带变异算子的改进粒子群算法对蜂窝芯结构等效参数进行修正,修正后参数代入有限元模型,能有效改善模型计算质量。     

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。     

腿式着陆器用不同拓扑结构金属蜂窝吸能特性优化设计

作为一种多孔固体材料的,由于其结构和功能的特殊性,金属蜂窝在缓冲吸能领域应用广泛。为了得到不同拓扑结构下金属蜂窝的异面压缩特性及缓冲特性,为其用于缓冲吸能领域提供依据,本文应用数值仿真软件Patran/DYNA对5种不同拓扑结构的金属蜂窝进行了压缩仿真。由于蜂窝结构的多样性,基于PCL语言编写金属蜂窝参数化有限元分析程序,实现有限元模型自动建立。采用全因素实验设计法对仿真点进行了规划,基于仿真结果,使用响应面方法建立了金属蜂窝吸能特性的近似函数模型,并分析模型精度。以金属蜂窝比吸能为优化目标,蜂窝主要结构参数为设计变量,针对腿式着陆器用金属蜂窝缓冲结构进行了优化设计, 结果表明正六边形金属蜂窝在五种蜂窝结构中吸能效果最优。     

地震载荷下岸桥跳轨相似模型研究

为了提高地震载荷下岸桥跳轨研究结果的准确率问题,基于简化的岸桥跳轨运动方程推导了岸桥原型与模型之间的相似关系,建立了岸桥的动力学相似模型,制作并开展了1∶20岸桥比例模型的振动台试验,研究了不同地震波载荷条件下的试验模型监测点的响应值,分析了不同工况条件下岸桥轮轨压力随时间变化的规律,测试了岸桥比例模型在振动试验中的跳轨响应结果,最后结合有限元方法将试验结果与仿真结果进行了对比。结果表明:振动台试验中模型跳轨响应结果与有限元仿真中出现的跳轨的情况吻合,基于跳轨运动方程建立的相似关系是准确可靠的。该研究为大型结构相似模型设计提供了一种理论参考。     

泡沫铝衰减冲击波压力的理论分析

由于泡沫铝具有良好的缓冲与吸收撞击或爆炸能量性能,常被粘贴在主结构可能遭受撞击面或迎爆面,用于降低撞击或爆炸冲击波对主结构的破坏作用。目前关于泡沫铝缓冲层衰减主结构上冲击波压力的理论计算没有得到很好的解决。为考查泡沫铝相对密度、孔洞形式及厚度对其衰减主结构上冲击波压力的影响,运用一维冲击波理论,考虑冲击波在压缩泡沫铝材料过程中的能量损耗,提出一种简化计算泡沫铝缓冲层衰减结构物上冲击波压力的方法。运用该方法分析了结构物上包覆一层泡沫铝缓冲层对飞片撞击结构所产生冲击波压力的衰减情况。并通过实例给出计算泡沫铝缓冲层衰减飞片冲击结构上冲击波压力的计算步骤及其影响因素。     

Energy absorption diagrams of paper honeycomb sandwich structures

It is very important to evaluate the cushioning properties of paper honeycomb sandwich structures for optimizing pack design. The energy absorption diagram is one method to characterize the cushioning properties of materials. In this paper, we investigate energy absorption and develop energy absorption diagrams for paper honeycomb sandwich structures. Based on static compression experiments, the compressive stress–strain curve is simplified into three sections: linear elasticity, plateau and densification. By considering the factors associated with the structure of paper honeycombs, the energy absorption model is obtained and characterized by the thickness‐to‐length ratio of the honeycomb cell wall. Both theory and experiment show that the compression energy absorption capability increases with the increasing thickness‐to‐length ratio of the honeycomb cell wall, and a good agreement is achieved between the theoretical and experimental energy absorption curves. The proposed method to develop an energy absorption diagram for paper honeycomb sandwich structures can be used to characterize the cushioning properties and optimize the structures of paper honeycomb sandwiches. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

蜂窝夹层铝建筑模板的几何优化与试验研究

建筑模板技术的创新对混凝土工程具有重要意义。该文对铝建筑模板采用蜂窝夹层结构的可行性进行计算分析与实验研究。首先根据Gibson理论计算蜂窝夹心结构的等效弹性参数,然后参考Reissner模型计算蜂窝夹层模板在均布荷载作用下的应力与变形,再按照铝建筑模板行业标准要求控制模板的变形条件和约束条件,对该模板蜂窝夹层结构的几何参数进行了优化。最后进行蜂窝夹层铝模板的弯曲试验,使用数字摄影测量系统获得了铝模板试件在不同载荷条件下的三维全场变形数据,试验结果与理论计算结果吻合较好。研究结果表明,采用蜂窝夹层结构可将铝建筑模板的质量降低60%以上。     

含预埋梁蜂窝夹层结构数值仿真与试验研究

含预埋梁蜂窝夹层结构是在纯蜂窝结构基础上改进得到的全新结构形式,综合了蜂窝结构和桁条铆接结构的优点,但该类结构的载荷分布形式以及失效模式缺乏相关研究。针对上述问题,结合国内在研尺寸最大的含预埋梁铝蜂窝夹层结构,采用层合板加筋方法进行了数值仿真,设计全尺寸物理试验对结构性能进行了试验验证。通过数值仿真和试验对比,验证了层合板加筋方法模拟含预埋梁蜂窝结构的准确性,同时研究了该类结构的载荷分布和失效模式,并为同类结构设计提供了参考依据。     

基于蜂窝材料结构相似有限元模型的夹层结构抗爆炸冲击特性优化设计分析

根据蜂窝材料压缩力学理论,提出了一种蜂窝材料的结构相似有限元模型构建方法,并在蜂窝材料轴向压缩和夹层结构抗爆炸冲击2种分析工况下对结构相似模型计算分析的等效性进行了验证。结果表明,蜂窝材料的结构相似有限元模型不仅能够描述原蜂窝材料的宏观压缩力学特性,而且可以大幅地提高模型计算效率,为蜂窝材料夹层结构的抗爆炸冲击特性分析与设计优化提供条件。基于该结构相似有限元模型,以最小化蜂窝材料夹层结构的面密度为设计目标,利用自适应响应面方法对夹层结构的主要设计参数进行了优化,在结构的爆炸冲击响应速度峰值不增大的条件下提高了结构的轻量化水平。     

Finite Element Analysis of Dynamic Mechanical Responses of Aluminum Honeycomb Sandwich Structures Under Low-Velocity Impact

Honeycomb sandwich structures, composed of many regularly arranged hexagonal cores and two skins, often show excellent impact performance due to strong energy absorption ability under impact loads. This paper studies dynamic mechanical responses of aluminum honeycomb sandwich structures. Parametric geometry modeling using UG software and finite element analysis using ANSYS explicit dynamics module are performed. Finite difference algorithm based on time-stepping integration is used to get the impact displacement, and stress and strain with time. Effects of different impact velocities, core length and wall thickness on the distributions of plastic stress and strain are also explored. Results show that thinner honeycomb side length and thicker wall thickness lead to stronger impact resistance. This research provides theoretical support for promoting optimal design of lightweight structures against impact loads.     

梯度铝蜂窝夹芯板的力学行为

梯度分层铝合金蜂窝板是一种有效的吸能结构,本工作在梯度铝蜂窝结构的基础上根据梯度率的概念,通过改变蜂窝芯层的胞壁长度,设计了4种质量相同、梯度率不同的铝蜂窝夹芯结构。通过准静态压缩实验,并结合非线性有限元模拟准静态及冲击态下梯度铝蜂窝夹芯结构的变形情况及其力学性能,分析对比了相同质量下梯度铝蜂窝夹芯结构在准静态下的变形模式以及冲击载荷下分层均质蜂窝结构和不同梯度率的分层梯度蜂窝结构的动态响应和能量吸收特性。结果表明:在准静态压缩过程中,铝蜂窝梯度夹芯板的变形具有明显的局部化特征,蜂窝芯的变形为低密度优先变形直至密实,层级之间的密实化应变差随芯层密度的增大而逐渐减小;在高速冲击下,梯度蜂窝板并非严格按照准静态过程中逐级变形直至密实,而是在锤头冲击惯性及芯层密度的相互作用下整体发生的线弹性变形、弹性屈曲、塑性坍塌及密实化;另外,在本工作所设计的梯度率中,当梯度率为γ₁=0.0276时,梯度蜂窝夹芯板的吸能性达到最好,相较于同等质量下的均质蜂窝夹芯板,能量吸收提高了10.63%。     

泡沫铝夹层结构复合材料低速冲击性能

以泡沫铝为夹芯材料,玄武岩纤维(BF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)复合材料为面板,制备夹层结构复合材料。研究纤维类型、铺层结构和芯材厚度对泡沫铝夹层结构复合材料冲击性能和损伤模式的影响规律,并与铝蜂窝夹层结构复合材料性能进行对比分析。结果表明:BF/泡沫铝夹层结构比UHMWPE/泡沫铝夹层结构具有更大的冲击破坏载荷,但冲击位移和吸收能量较小。BF和UHMWPE两种纤维的分层混杂设计比叠加混杂具有更高的冲击破坏载荷和吸收能量。随着泡沫铝厚度的增加,夹层结构复合材料的冲击破坏载荷降低,破坏吸收能量增大。泡沫铝夹层结构比铝蜂窝夹层结构具有更高的冲击破坏载荷,但冲击破坏吸收能量较小;泡沫铝芯材以冲击部位的碎裂为主要失效形式,铝蜂窝芯材整体压缩破坏明显。     

Theoretical and numerical analysis of the folding mechanism of vertex-based hierarchical honeycomb structure

Abstract

This study presents numerical and theoretical investigation for the vertex-based hierarchical honeycomb structure subjected to axial compression. Mechanical behavior as well as predictable formulas were explored based on folded element and Minimal Energy Principle. Parametric studies were numerically conducted with different scale ratio, and the influence of wall thickness on mechanical performance was determined. Good agreement was observed between the numerical results and theoretical solutions, which validates the analytical model well. Furthermore, deformation mode comparisons were conducted between vertex-based hierarchical honeycomb and other filled-type honeycomb structures. Evident promotion on energy absorption was obtained for vertex-based hierarchical honeycomb.     

考虑蜂窝纸板箱缓冲作用的产品包装系统跌落冲击研究*

在实际缓冲包装设计中,忽略了外包装箱的缓冲作用,因此很难得到合理的缓冲结构。为了研究外包装箱对缓冲包装系统的影响,首先基于压缩试验分别确立了制作外包装箱的蜂窝纸板与缓冲材料发泡聚乙烯的本构关系;其次建立了发泡聚乙烯与蜂窝纸板的串联力学模型,并介绍了求解算法;最后基于物品响应加速度小于许用值及材料用量最小化两个原则,设计了串联缓冲包装结构目标优化函数并介绍了优化函数的求解步骤,通过试验数据验证了模型的正确性。结果表明,如果不考虑蜂窝纸板箱的缓冲作用,会造成很大程度的保守包装,因此考虑外包装箱的缓冲作用能有效避免缓冲材料的过度使用。这些研究结果与方法为其他不同缓冲材料的串联提供了参考。