负泊松比蜂窝面内动态压缩行为与吸能特性研究

利用有限元软件ANSYS-LSDYNA研究了负泊松比蜂窝结构面内冲击动力学特性。在壁长和相对密度不变的前提下,建立了负泊松比蜂窝模型;通过改变胞元扩展角,讨论了冲击速度对蜂窝材料面内冲击变形模式和能量吸收能力的影响。数值研究发现,冲击载荷作用下负泊松比蜂窝结构的面内冲击性能更多依赖于冲击速度。提高冲击速度,冲击端的峰值应力、平台应力、试件的比吸能均增高;但在相同冲击速度下,冲击端和支撑端的峰值应力、平台应力、试件的比吸能均随胞元扩展角的增大而降低。     

圆弧曲边六边形蜂窝结构吸能特性研究

为提升金属蜂窝结构的冲击吸能特性,提出了圆弧曲边六边形蜂窝结构。建立了显式有限元模型,对面内和面外冲击下的失效模式和吸能特性进行了研究,分析了冲击速度等对冲击吸能特性的影响规律。结果表明在面外冲击情况下,曲边蜂窝具有比传统蜂窝结构更优异的吸能性能;面内冲击情况下,会出现“X”型、“V”型和“一”字型变形带等不同失效形式;冲击速度较大时,变形模式趋近于“一”字型;吸能能力随着冲击速度的增大而增加。

     

泡沫铝铜合金静态压缩力学行为和吸能性能的实验研究

通过静态压缩实验研究一种新型闭孔泡沫铝材料泡沫铝铜合金的静态压缩力学行为和吸能性能。对实验得到的一定密度范围内的材料的弹性模量E和平台应力pl关于相对密度进行曲线拟合,发现将Gibson等给出的开孔泡沫理论公式中的幂次常数修正为由实验确定的常数,可以给出一定密度范围的闭孔泡沫铝铜合金材料的弹性模量和平台应力与相对密度之间关系的一个较好的估计。采用比能-应力或比能-应变曲线,可以对不同密度的泡沫铝铜合金材料的吸能情况进行较为直观的比较和分析。该曲线对工程设计具有较好的指导意义。     

2D周期蜂窝结构面内静动态压缩力学行为研究

基于``平板开缝-装配-焊接'工艺制备了以高聚物为基体的Kagome等蜂窝结构,并开展了Kagome, 正三角形和菱形蜂窝结构的面内准静态压缩力学行为实验研究,实验过程中应用CCD图像采集系统和图像相关法对试件进行了全场位移监测. 另外对比传统正六边形蜂窝,采用数值分析技术,模拟了低速冲击下不同蜂窝结构坍塌行为. 实验结果和数值模拟均揭示了在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下,Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于其它3种蜂窝结构,并发现了Kagome蜂窝压缩变形时所特有的局部蜂窝旋转变形. 研究结果表明改变蜂窝形状和周期性排布会对蜂窝结构整体的变形模式以及能量吸收性能产生较大的影响.      

高共面/异面抗冲击承载能力的新型蜂窝设计及吸能评估

针对传统蜂窝共面和异面承载能力差距太大的问题,提出了胞壁弓字形弯折蜂窝、层间组合蜂窝和折叠蜂窝等3种新型蜂窝,建立了新型蜂窝的有限元模型并分析了其变形模式和承载能力。结果表明,在相对密度一致的前提下,与传统正六边形蜂窝相比,这3种新构型蜂窝均缩小了共面和异面方向承载能力的差距。其中胞壁弓字形弯折蜂窝的共面/异面承载比提高了21.3倍;层间组合蜂窝两个共面方向承载能力悬殊,承载能力更强的共面方向与异面的承载比值提高了42倍;折叠蜂窝则提高了21.3倍。研究结果可以为抗多向冲击载荷作用下的蜂窝结构设计提供新思路和参考。     

复合圆柱管撞击吸能特性实验研究

本文研究了外部缠有玻璃纤维增强环氧的金属圆柱管（简称为“复合管”）在轴向撞击载荷下的能量吸收特性。总结了复合管撞击渐进破坏压缩历程的瞬时速度、位移、载荷等的变化规律。从破坏模式、压缩速率（与准静态实验比较）、金属材料的性能、复合材料层的厚度、纤维的缠绕角这几个角度研究了复合管的吸能性能的影响因素。     

正弦负泊松比多孔蜂窝梁平面内三点弯吸能性能实验研究

正弦负泊松比蜂窝梁具有优异的断裂韧性和吸能性能,对其平面内三点弯时的吸能性能进行研究有着重要的应用价值和社会意义。本文对正弦负泊松比蜂窝梁试件进行平面内三点弯曲实验,研究了等质量的一种传统蜂窝梁和三种负泊松比蜂窝梁平面内弯曲的破坏模式和吸能性能,试样通过3D打印采用聚乳酸材料制作而成。研究结果表明:梁的负泊松比、破坏模式和吸能性能均取决于正弦曲线的振幅与周期的比值;负泊松比梁的吸能性能优于传统方孔蜂窝梁,但是随着负泊松比效应的增加,其吸能性能逐渐降低。可通过调控振幅与周期的比值,使梁的吸能性能达到最优,同时保持较大的刚度和承载力。本文的研究可为正弦负泊松比梁在工程实际中的推广应用奠定基础。     

硬质聚氨酯泡沫塑料的缓冲吸能特性评估

在对泡沫塑料缓冲吸能特性评估的常用方法进行分析后，对四种密度硬质聚氨酯泡沫塑料在各种应变率下的缓冲吸能特性进行了评估，并介绍了本构关系在泡沫材料缓冲吸能特性评估中的应用。     

泡沫铝缓冲吸能评估及其特性

对泡沫铝缓冲吸能特性的评估方法进行了比较分析 ,明确了吸能效率曲线与理想吸能效率曲线的应用范围 ,为缓冲器的选材与设计提供了依据。同时还对四种密度的泡沫铝在动静态下的缓冲吸能特性进行了评估 ,研究表明 ,泡沫铝是一种优良的吸能材料。     

开孔和闭孔泡沫铝的力学与吸能特性研究

研究泡沫铝的力学与缓冲吸能特性有助于其在武器、航天与航空等领域的广泛应用。通过对开孔和闭孔泡沫铝的实验研究发现:开孔和闭孔泡沫铝的应力-应变曲线都明显呈现出线弹性变形、塑性屈服(平台段)和致密化3个阶段;闭孔泡沫铝较开孔泡沫铝的平台段更加明显;闭孔泡沫铝的吸能效率较开孔泡沫铝的高,比开孔泡沫铝更适合作缓冲元件。     

铝蜂窝异面压缩的扩胞等效方法

基于铝蜂窝表观密度、质量、平台强度、异面弹性模量、压缩率、吸能量6个基本力学量,建立了正 六边形铝蜂窝等效前后胞元厚跨比(胞壁厚度与跨度的比)间的映射关系,得到相同厚跨比蜂窝结构具有相同 的力学属性与吸能特性。采用以大换小的扩胞途径,保持胞元厚跨比不变,通过改变蜂窝胞元结构几何参数, 提出了将致密孔格稀疏化的蜂窝扩胞等效分析流程,实现了致密蜂窝数值模拟时单元规模与计算时间的有 效减缩。基于显式有限元方法,建立了8种等间距扩胞铝蜂窝求解模型,结果验证了扩胞等效方法的可行性。 等效前后计算效率的对比分析显示了扩胞方法的高效性。但在异面方向尺度与胞元跨度相近时,扩胞等效方 法受到一定的局限。     

梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载作用下的动力响应

利用弹道冲击摆锤系统对分层梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载下的动力响应进行了实验研究,分析了梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载作用下的变形失效模式,并与传统非梯度蜂窝夹芯板的抗爆性能做了对比。通过一维应力波理论,分析了应力波在梯度芯层中的传播规律。应力波透射系数在梯度试件中比非梯度芯层中小,而且相对密度递减的芯层组合有最小的应力波透射系数。综合考虑结构变形失效模式,后面板挠度,芯层压缩量以及应力波传播特点得到:分层梯度蜂窝夹芯板的抗爆性能明显优于传统的非梯度夹芯板,在所研究的荷载范围内,芯层相对密度从大到小排列试件的抗爆性能相对较好。     

动态压缩下Zr基非晶合金失效释能机理

为研究Zr 基非晶合金动态压缩条件下的失效释能机理,采用力学试验机、霍普金森杆、高速摄影、差示扫描量热分析(differential scanning calorimetry, DSC)、扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)等,得到了材料应力应变曲线、高速摄影图像、失效式样微观形貌及DSC 曲线,根据实验数据计算了材料的晶化激活能,并拟合了材料的JH-2(Johnson-Holmquist Ⅱ)模型,对材料动态失效过程进行有限元数值模拟。实验结果表明,压缩条件下材料为脆性断裂,断口处观察到典型的脉状纹样及液滴状结构,材料失效过程伴随着释能现象;数值模拟结果表明,材料裂纹局部的瞬时内能大于材料晶化激活能。动态压缩下材料的失效释能机理即为材料破碎释放储存的弹性势能,并导致材料局部晶化释能,释能强度与应变率成正相关。     

含随机填充孔圆形蜂窝结构的面内冲击性能

研究多孔材料细观结构与宏观力学性能之间的关系, 建立具有固定相对密度的含随机固体填充孔的圆形蜂窝结构模型。在此模型的基础上具体讨论了不同孔洞填充比和冲击速度对圆形蜂窝结构变形模式、动态冲击平台应力以及能量吸收性能的影响。研究结果表明:填充孔在蜂窝变形过程中有局部牵制作用, 蜂窝材料变形模式仍为准静态模式、过渡模式、动态模式; 当变形模式为过渡模式或动态模式时, 结构的平台应力与速度的平方成线性关系, 存在明显的速度效应; 高速冲击下, 含固体填充孔的蜂窝结构单位质量吸收的能量高于规则蜂窝结构。研究结果可为蜂窝材料的研究和设计提供参考。     

双波护栏-汽车碰撞动力响应与吸能机理研究

我国西部山岭重丘区山高谷深,高速公路跨线天桥、弯道及坡道较多,这些特殊路段的防撞设施多采用立柱加密的双波护栏.通过ANSYS/LS-DYNA有限元数值仿真,对加密立柱双波护栏在汽车碰撞作用下的动力响应进行了研究,分析了双波护栏的碰撞能量转换与吸能机理,结果表明加密立柱的双波护栏对车辆碰撞具有良好的吸能、导向作用.     

The dynamic behavior of two parallel symmetric cracks in functionally graded piezoelectric/piezomagnetic materials

The dynamic behavior of two parallel symmetric cracks in functionally graded piezoelectric/piezomagnetic materials subjected to harmonic antiplane shear waves is investigated using the Schmidt method. The present problem can be solved using the Fourier transform and the technique of dual integral equations, in which the unknown variables are jumps of displacements across the crack surfaces, not dislocation density functions. To solve the dual integral equations, the jumps of displacements across the crack surfaces are directly expanded as a series of Jacobi polynomials. Finally, the relations among the electric, magnetic flux, and dynamic stress fields near crack tips can be obtained. Numerical examples are provided to show the effect of the functionally graded parameter, the distance between the two parallel cracks, and the circular frequency of the incident waves upon the stress, electric displacement, and magnetic flux intensity factors at crack tips.     

局部表面纳米化双层嵌套式金属薄壁吸能结构的数值模拟和设计

基于局部表面纳米化技术,设计了一种双层嵌套式金属薄壁吸能结构。在表面纳米化技术对金属力学性能影响的研究基础上,优化了环向交错式和连续式条纹局部表面纳米化布局,得到了双层嵌套式方管吸能结构设计方案和吸能参数。结果表明,表面纳米化对材料的屈服极限提升显著,所设计的局部纳米化双层嵌套式方管吸能结构的比吸能可提高57.1%。同时也证实局部表面纳米化是一种有效的吸能提升技术。     

轴向冲击载荷下薄壁折纹管的屈曲模态与吸能

在方管的基础上引入折纹结构, 利用几何关系建立折纹管的折角公式。采用LS-DYNA软件研究了6种折纹管在轴向冲击下的屈曲模态与能量吸收性能, 并与方管进行对比分析。结果表明, 折纹管在冲击载荷作用下屈曲变形过程可分为3个阶段, 初始峰值阶段、稳定渐进屈曲阶段和密实化阶段。折角是影响初始峰值载荷和平均载荷的重要因素之一, 折纹结构的引入有效的降低了初始峰值载荷, 减小了冲击力的波动幅度; 折纹管的比吸能低于方管, 但是在特定折角下, 折纹管的压缩力效率和比总体效率高于方管。     

负泊松比蜂窝材料的动力学响应及能量吸收特性

针对传统正方形蜂窝,通过用更小的双向内凹结构胞元替代原蜂窝材料的结构节点,得到了一种具有负泊松比特性的节点层级蜂窝材料模型。利用显式动力有限元方法,研究了冲击荷载作用下该负泊松比蜂窝结构的动力学响应及能量吸收特性。研究结果表明,除了冲击速度和相对密度,负泊松比蜂窝材料的动力学性能亦取决于胞元微结构。与正方形蜂窝相比,该负泊松比层级蜂窝材料的动态承载能力和能量吸收能力明显增强。在中低速冲击下,试件表现为拉胀材料明显的"颈缩"现象,并展示出负泊松比材料独特的平台应力增强效应。基于能量吸收效率方法和一维冲击波理论,给出了负泊松比蜂窝材料的密实应变和动态平台应力的经验公式,以预测该蜂窝材料的动态承载能力。本文的研究将为负泊松比多胞材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供新的设计思路。     

The behavior of a crack in functionally graded piezoelectric/piezomagnetic materials under anti-plane shear loading

Summary In this paper, the behavior of a crack in functionally graded piezoelectric/piezomagnetic materials subjected to an anti-plane shear loading is investigated. To make the analysis tractable, it is assumed that the material properties vary exponentially with the coordinate parallel to the crack. By using a Fourier transform, the problem can be solved with the help of a pair of dual integral equations in which the unknown variable is the jump of the displacements across the crack surfaces. These equations are solved using the Schmidt method. The relations among the electric displacement, the magnetic flux and the stress field near the crack tips are obtained. Numerical examples are provided to show the effect of the functionally graded parameter on the stress intensity factors of the crack.The authors are grateful for financial support from the Natural Science Foundation of Hei Long Jiang Province (A0301), the National Natural Science Foundation of China (50232030, 10172030), the Natural Science Foundation with Excellent Young Investigators of Hei Long Jiang Province(JC04-08) and the National Science Foundation with Excellent Young Investigators (10325208).