分层梯变负泊松比蜂窝结构的面内冲击动力学分析

研究了一种分层梯变负泊松比蜂窝结构,对提出的分层梯变蜂窝结构的相对密度进行了推导,对能量吸收的相关概念进行了阐述。采用ABAQUS建立了有限元模型,并对蜂窝结构面内冲击动力学进行了数值模拟。对分层梯变蜂窝结构在不同冲击速度下的变形模式进行了研究,研究了蜂窝结构在不同冲击速度下的动力学响应情况,最后对蜂窝结构的能量吸收情况进行了分析。研究结果表明,所提出的分层梯变蜂窝结构相对于传统的负泊松比蜂窝结构,具有更低的初始峰值应力。改变分层梯变蜂窝结构的冲击端,其变形模式具有明显的不同,能量吸收能力也发生了较为明显的变化,研究结果可为后续的分层密度梯变负泊松比蜂窝结构的性能设计提供参考。     

胞元尺寸对六边形聚氨酯蜂窝结构泊松比和吸收能量的影响

采用有限元模型对热塑性聚氨酯弹性体蜂窝结构的压缩过程进行了模拟,并用试验进行验证。采用该模型研究了胞元凹角、宽度和壁厚对蜂窝结构泊松比和吸收能量的影响。结果表明:该模型能较准确地模拟蜂窝结构的压缩过程,试验和模拟峰值应力的相对误差在10%以内;凹角为负时,蜂窝结构具有负泊松比性质,其吸收能量较凹角为正的蜂窝结构的大;胞元宽度越小、壁厚越大,蜂窝结构的吸收能量越多;胞元凹角为-30°、宽度为1 mm、壁厚为1 mm时蜂窝结构的吸能效果最好;凹角大小对蜂窝结构的泊松比和吸收能量的影响最大。     

连续梯变拉胀蜂窝面内冲击动力学性能研究

研究了一种连续梯变拉胀蜂窝结构,对该结构的相对密度公式进行了推导,采用Abaqus/Explicit建立了蜂窝结构的数值模型,研究了蜂窝结构在不同冲击速度下的变形模式并获得了变形模式分类图,对不同厚度的蜂窝结构在不同速度下的动力学响应和能量吸收情况进行了研究。研究结果表明,蜂窝结构变形模式主要分为准静态模式、转换模式和动态模式,正梯度变化(Positive gradient vary,PGV)蜂窝结构相比负梯度变化(Negative gradient vary,NGV)蜂窝结构的转换模式区域覆盖范围更大,在冲击的初始阶段,PGV蜂窝结构的初始峰值应力相比NGV蜂窝结构更高,蜂窝结构的比能量吸收则随着壁厚的增加和冲击速度的提高而增加,NGV蜂窝结构相比PGV蜂窝结构具有更好的能量吸收能力,并且随着冲击速度的增加,优势更为明显。     

负泊松比曲边内凹蜂窝结构的面内冲击动力学数值研究

利用数值方法研究了具有负泊松比效应的可变弧角曲边内凹蜂窝结构的面内冲击动力学性能，讨论了冲击速度和弧角对曲边内凹蜂窝结构的变形模式与吸能能力的影响。研究结果表明：改变冲击速度和弧角的大小会影响曲边内凹蜂窝结构的变形失效模式；当冲击速度较高时，蜂窝结构内的应力波动范围较大，结构的体能量吸收值随弧角的增大逐渐增大；当冲击速度较低时则不存在上述现象。当弧角大于120°时，曲边内凹蜂窝结构具有负泊松比效应，该结构的吸能能力高于其他弧角所对应的正泊松比蜂窝结构的吸能能力，该现象与冲击速度无关。     

复合材料蜂窝夹层板低速冲击损伤模拟及实验研究

复合材料蜂窝夹层板因其良好的力学特性及质量轻等优点在工程中得到了广泛应用,但其抗冲击能力较差。本文研究了复合材料蜂窝夹层板受低速冲击后的变形和损伤情况,采用光滑粒子动力学结合有限元数值模拟方法分析了复合材料蜂窝夹层板受不同能量冲击后的响应,并通过试验和模拟计算结果对比分析,给出了不同冲击能量下复合材料蜂窝夹层板的位移和损伤。研究结果表明:给出的复合材料蜂窝夹层板冲击数值模型能够合理的模拟低速冲击行为,能为工程中复合材料蜂窝夹层板结构受冲击损伤的测定提供参考依据。     

多层内凹蜂窝圆柱壳冲击动力学行为分析

构建了不同角度单层内凹蜂窝圆柱壳模型，提出了一种新型多层复合内凹蜂窝圆柱壳结构。利用有限元仿真方法研究了单层和多层内凹蜂窝圆柱壳在轴向冲击下的变形行为，分析对比了单层和多层内凹蜂窝圆柱壳在不同冲击速度下的平台应力和比吸能特性。结果表明，在相同密度和尺寸下，多层内凹蜂窝圆柱壳的冲击能量吸收能力相对于单层内凹蜂窝圆柱壳有显著提升；内凹蜂窝圆柱壳初始变形破坏位置随着冲击速度的改变而改变；多层内凹蜂窝圆柱壳没有表现出负泊松比性质。     

金属蜂窝异面压缩下平均压缩应力的理论模型

为了得出蜂窝材料在静态压缩及冲击加载下的异面压缩力学行为,基于蜂窝材料的对称性特点,以Y形蜂窝胞元为研究对象,根据能量守恒原理,将Y形蜂窝胞元所吸收的能量等效为塑性铰转动所需要的能量与Y形蜂窝胞元壁转动所需要的能量之和,在此基础上,分别采用Mises屈服准则和Tresca屈服准则推导蜂窝材料在静态压缩下的平均压缩应力的理论模型.基于Cowper-Symonds模型考虑应变率对Y形蜂窝胞元材料力学性能的影响,推导蜂窝材料动态平均压缩应力的理论模型.通过一系列的试验,验证了基于Tresca屈服准则推导的蜂窝材料在异面压缩下的平均压缩应力理论模型的正确性.     

负泊松比基元蜂窝结构研究

以传统凹角六边形负泊松比结构为主要参考对象,通过拓扑优化得到较为完整的负泊松比基元优化构型,并基于该构型建立了6种基元几何模型.探讨了不同蜂窝排列方式下的蜂窝结构性能差异,选取合适的排列方式对6种基元建立的蜂窝结构进行了冲击仿真研究.以吸能量、比吸能、峰值碰撞力及结构等效泊松比为评价指标,对比分析了不同基元蜂窝结构的结构性能,筛选出综合性能最优的基元结构.选取汽车前端结构,将传统凹角六边形结构及最优基元结构进行三维排列组合填充入吸能盒内,进行了汽车前端碰撞应用对比.结果表明基于拓扑优化的各基元结构在吸能效果及承载能力上皆高于传统凹角六边形结构,选取的最优基元结构在汽车前端碰撞应用中具有更好的吸能效果及负泊松比特性,其压溃距离大大降低.     

不同冲击速度对铝蜂窝板冲击动力响应的影响

利用有限元仿真软件ABAQUS/Explicit,研究了铝蜂窝板结构的冲击动力学特性,分析了冲击速度对铝蜂窝材料等效塑性应变和能量吸收特性的影响。结果表明,随着冲击速度的增大,上表面铝板和铝蜂窝芯的最大等效塑性应变也随之增大,同时,铝蜂窝板的吸收能量也随之变大,但是铝蜂窝板的总体能量吸收率变小。     

负泊松比蜂窝结构覆盖层的动态压缩行为研究

为提高舰船的生命力及安全性,在舰船湿表面敷设某种材料的防护覆盖层,能起到一定的抗冲击作用。提出了一种负泊松比蜂窝结构,建立了该结构的力学分析模型,利用有限元软件建模及仿真,研究周期分布空腔结构覆盖层的动态压缩行为,分析其在动态压缩过程中,单元节点位移、加速度以及能量等物理参数随时间的变化特性。研究结果表明,在相同的载荷,不同的初速度作用下覆盖层结构响应不同;随着初速度的增加,覆盖层结构的动态压缩行为表现愈加明显。该研究结果对此类覆盖层结构的动力学特性具有一定的指导作用,同时可对潜艇湿表面抗冲覆盖层结构的进一步优化设计提供参考。     

X型内凹蜂窝结构的拉伸力学行为研究

基于内凹机制,将星型和内凹六边形的微结构相结合,设计一种新型内凹蜂窝结构模型(简称X型结构)。针对该结构模型,给出了其相对密度,以达到轻量化的目的。采用有限元软件Abaqus对该结构进行轴向拉伸力学行为研究,得到了该结构的尖端内凹角、单元壁厚度、外夹角以及材料属性对等效弹性模量和泊松比的变化规律。数值结果表明:影响结构的重要因素是外夹角,随着外夹角在一定范围内的增加,使得其等效弹性模量和泊松比随之增大,在外夹角达到约67°时,该结构为零泊松比结构;当单元壁厚度越大,结构的负泊松比效应越明显,等效弹性模量也越来越大;当尖端内凹角越小,负泊松比效应越强。该研究结果可为新型负泊松结构的优化设计提供新的借鉴思路。     

一种新型组合蜂窝的抗冲击性能研究

蜂窝结构的力学或物理性能是决定其能否推广应用的关键。针对提出的一种新型组合蜂窝结构,围绕该蜂窝结构的抗冲击性能展开研究,构建了新型组合蜂窝的冲击模型,通过数值仿真,实现了新型组合蜂窝的中高速冲击过程,并与正六边形、正方形、三角形、Kagome蜂窝结构的中高速冲击仿真结果进行了类比,分析和比较了新型组合蜂窝受冲击时的能量吸收特性。研究结果表明,新型组合蜂窝在受到冲击时整体刚性较好,具有较强能量吸收能力,是进行轻量化设计的理想结构。     

负泊松比蜂窝抗冲击性能分析

对一种新型蜂窝结构-负泊松比多凹角蜂窝及凹角蜂窝的面内抗冲击性能进行了系统分析。首先利用有限元软件Ansys/LS-DYNA分析了多凹角蜂窝及凹角蜂窝结构在不同速度冲击荷载作用下的变形模态,揭示了凹角蜂窝结构特有的负泊松比效应对提高其抗冲击强度的作用机制;随后根据经典理论模型,得出凹角蜂窝结构动力学强度的经验公式,与有限元结果的对比分析验证了所得理论经验公式的有效性,同时凹角蜂窝较传统正六边形蜂窝结构更高的动力学强度揭示了凹角蜂窝结构更优的吸能效果。     

发动机非包容失效下的大尺寸碎片冲击数值模拟及防护方法

为研究商用发动机发生非包容失效时转子碎片对飞机结构的冲击损伤,数值模拟了三分之一高压涡轮盘碎片在机翼油箱不同剩余油量情况下以不同散射角飞出的过程,确立了碎片依次与涡轮机匣和机翼整体油箱相互作用的连续动态响应。仿真采用Johnson-Cook本构模型和失效准则定义固体材料属性,SPH模型定义燃油粒子,分析对比了撞击过程中碎片的速度变化,机翼油箱的破坏变形和应力分布情况。结果表明:碎片的速度损失和能量衰减都随散射角和剩余油箱增加而增加;涡轮机匣吸收了绝大部分的转子能量,同时由于燃油的阻滞能力,对碎片的能量也有一定的吸收作用;燃油对油箱壁的液压冲击破坏作用在大尺寸碎片撞击下表现不明显。针对数值模拟结果最后对油箱结构边界设计进行了定性分析。     

多材料负泊松比微结构拓扑优化设计

复合材料优化设计为负泊松比结构提供更大的设计空间,可以充分挖掘材料的各种潜力.为实现多材料负泊松比微结构拓扑优化设计,文中基于序列插值法,对多材料密度进行归一化处理,得到了多材料插值模型,该模型能够使多材料在设计域内向不同材料点集合,可以在单一设计变量下完成多材料拓扑优化设计,无需增加额外设计变量.结合能量均匀化理论,以等效负泊松比为优化目标,进行相应的灵敏度分析,对优化模型进行求解,最终得到了具有负泊松比效应的多材料微结构.然后根据优化结果,对拓扑构型进行重构,并进行有限元分析,得到的结构具有负泊松比效应,结果表明,该方法能有效实现多材料负泊松比微结构拓扑优化设计.     

负泊松比可变弧角曲边内凹蜂窝结构的力学性能

在环形蜂窝结构的基础上,提出了一种具有负泊松比效应的可变弧角曲边内凹蜂窝结构。分析了刚架结构的弯曲内力,利用能量法给出了曲边内凹蜂窝结构的横/纵向等效弹性模量和等效泊松比的解析公式。当弧角为180°时,所提出的曲边内凹蜂窝结构可退化为已有的环形蜂窝结构。所得解析解、已有理论解和有限元结果三者有较好的吻合度,表明了所提出方法的有效性。基于所得解析解讨论了微结构几何参数对等效弹性模量和等效泊松比的影响,研究结果表明：等效弹性模量受弧角的影响显著;等效泊松比受弧角、竖直壁板长度和两竖直壁板间宽度的影响较为明显,而受连接部分长度的影响不明显。     

负泊松比柔性蜂窝结构在变体机翼中的应用

提出一种负泊松比柔性蜂窝结构,建立了柔性蜂窝蒙皮结构的力学分析模型,研究了柔性蜂窝结构参数对面内变形能力和面外承载能力的影响,并对结果进行了有限元仿真分析与试验验证。试验结果表明,负泊松比蜂窝结构具有较大的面内变形能力,其结构变形具有特殊的拉涨特性,采用负泊松比柔性蜂窝结构的变体机翼具有改善无人机起降性能的潜力。     

铝蜂窝夹芯板低速动态冲击响应研究

为研究不同结构参数对质量相同、强度不同的两种铝蜂窝夹芯板低速动态冲击响应的影响，建立了铝蜂窝夹芯板受半球型落锤低速冲击的数值模型，并将有限元计算结果与试验结果进行对比，检验了模型的可靠性。在此基础上，对比研究了不同上下铝板厚度和不同蜂窝芯壁厚对两种铝蜂窝夹芯板在低速冲击下吸能效果的影响。结果表明：在质量相同的情况下，强度小、高度大的夹芯板在低速冲击下力-位移曲线更易出现双峰模式，增加蜂窝芯壁厚或是上下铝板厚度都会使第一次的峰值力增加，第二次峰值力降低；强度小、高度大的夹芯板蜂窝芯在低速冲击中吸能占比更多，强度大、高度小的则是上层铝板吸收的能量更多，前者的质量、体积比吸能更高；铝蜂窝夹芯板质量比吸能和体积比吸能与壁厚边长比、板厚芯高比均呈幂次关系。     

极限负泊松比的微结构拓扑优化

基于拓扑优化理论与能量法,构建了一种求解极限负泊松比拓扑构型的优化模型。文中建立了一种便于数值分析的负泊松比函数,以此为目标函数构建优化模型,并在不同初始布局条件下,求解得到相应微结构的最优拓扑构型和极限负泊松比,并在有限元软件中对所得到的最优拓扑构型进行仿真分析,参考国家标准测量泊松比试验方法,得到相应拓扑构型的负泊松比,并与所构建的优化模型求解得到的极限负泊松比对比分析,验证所构建优化模型的正确性。     

蜂窝纸板冲击压缩的试验研究和有限元分析

环境湿度和几何参数对蜂窝纸板的力学性能具有重要影响。应用试验方法和有限元技术研究和分析蜂窝纸板的动态冲击压缩过程,研究不同湿度下不同厚跨比的蜂窝纸板的冲击承载能力和能量吸收能力。单层瓦楞原纸和双层蜂窝胞壁的弹性模量和屈服强度均随湿度的增加呈指数下降,纸管胶粘合后的双层蜂窝胞壁的弹性模量和屈服强度明显高于单层瓦楞原纸。试验和有限元分析均显示蜂窝纸板冲击压缩过程与金属蜂窝板冲击压溃过程类似,是一个从顶部到底部的渐进规律叠缩压溃过程。当环境湿度增加和厚跨比减少时,蜂窝纸板冲击压缩时的初始峰值应力、平台应力和吸能性能均明显下降。给出的不同环境湿度下不同厚跨比的蜂窝纸板冲击压缩能量吸收曲线对产品缓冲包装设计有重要的参考价值。