内爆炸载荷下泡沫铝夹芯圆管塑性动力响应及能量耗散机理

通过实验、理论和数值模拟研究泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的动态变形模式及吸能机制.采用不同质量的球形乳化炸药进行爆炸试验.结构轴向变形分为3个区:大塑性变形区、绕塑性铰的刚性旋转区和无变形区.在考虑环向膜力和轴向弯矩的情况下,提出内爆作用下夹芯圆管动态响应的显式计算方法.通过建立基于三维Voronoi算法的泡沫芯有限元模型,探索结构能量耗散机制.通过实验观测到的泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的变形机制,结合内外管的弯曲变形及芯层压缩,给出了结构在响应过程中能量吸收的理论解.以结构比吸能和外管中心挠度为控制参量求得夹芯圆管的最优解集.进一步研究炸药质量、内外管直径、壁厚及芯层轴向梯度排列方式对结构动态变形模式和吸能机制的影响.结果表明:内管壁厚对外管中心线的挠度影响较大,而芯层厚度和外管壁厚的影响较小;如果夹芯圆管的轴向梯度结构从管轴向对称面到两端边缘呈对称递减分布时,具有较好的抗爆性;数值计算和实验测试结果均与理论预测吻合.     

高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理

建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合模拟方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明:夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦因数对夹芯梁的动态响应无显著影响。     

考虑蜂窝高度效应的蜂窝夹芯板稳定性分析

蜂窝芯层等效弹性参数因受表板影响与其高度紧密相关,而传统蜂窝夹芯板稳定性模型未对其加以考虑。本文基于精化锯齿层合板理论,建立了蜂窝夹芯板稳定性模型。模型借助于解析均匀化方法获取蜂窝芯层等效模量,并因引入该方法而能够反映由蜂窝高度改变引起的蜂窝芯子等效模量变化对屈曲载荷产生的影响,即捕捉到了蜂窝芯子的高度效应。以四边简支蜂窝夹芯方板受单向面内压缩载荷作用为例进行了算例分析。算例结果表明,蜂窝芯子高度效应在蜂窝高度较低时明显,随着蜂窝高度增加,高度效应逐渐减弱。此外,高度效应在蜂窝芯层厚度比例较大时明显,随着蜂窝芯层厚度比例的持续下降,高度效应减弱直至消失。     

负泊松比蜂窝夹层板的振动特性研究

研究了负泊松比蜂窝夹层板几何参数变化对板振动频率的影响,并得到了频率随泊松比的变化规律。在Reddy高阶剪切变形理论的基础上,利用Hamilton原理,推导出四边简支边界条件下的负泊松比蜂窝夹层板的偏微分运动方程。根据修正后的Gibson公式,考虑了蜂窝胞元壁板的弯曲和伸缩变形,重新计算了蜂窝芯层胞元的等效弹性参数。利用Navier法,选择合适四边简支边界条件的模态函数,得出板的长厚比分别为0.01、0.05、0.10,芯厚比分别为0.80、0.85、0.90、0.95和蜂窝芯胞元倾角分别为-30°、-60°、0°、30°、60°等情况下系统的前五阶固有频率。研究结果表明,系统的固有频率随板的芯厚比、蜂窝芯胞元倾角、蜂窝芯壁厚与斜壁之比的增加都在减小,而随着板长厚比的增加而增加。分析了泊松比的变化对系统固有频率的影响,发现负泊松比蜂窝夹层板的固有频率要明显小于传统正泊松比蜂窝夹层板。本文所得结果对进一步研究系统的多模态共振具有指导意义,为负泊松比蜂窝夹层结构的工程应用在减振设计方面提供一定的理论依据。     

内爆炸载荷下梯度泡沫铝夹芯管的动态响应

基于3D-Voronoi技术构建了泡沫铝芯层的三维细观有限元模型,对梯度泡沫铝夹芯管在内爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。分析讨论了夹芯管结构内外管的壁厚、泡沫芯层的相对密度、芯层梯度分布等参数对夹芯管结构的抗爆性能与吸能性能的影响,并与无芯层的双层圆管进行了对比。结果表明:泡沫材料的相对密度可通过改变泡沫胞元大小和胞元壁厚进行调控,利用两种方式构建的夹芯管计算结果一致;保持内、外圆管总质量不变,增大内管壁厚可以有效减小外管的塑性变形,但会影响泡沫芯层的能量耗散;泡沫芯层的填充可以有效降低内管的塑性变形,正梯度泡沫铝夹芯管的抗爆性能优于均匀泡沫及负梯度泡沫夹芯管。     

开孔纸蜂窝芯层的面外静态压缩特性

针对双层侧壁开孔的纸蜂窝芯层的面外静态压缩特性，通过试验分析无孔和开孔纸蜂窝芯层在面外压缩量为85%时的压缩变形过程，研究相对湿度和圆孔直径对其强度性能的影响。基于蜂窝结构的对称性，利用两种基本单元模型，将面外受载的蜂窝胞壁视为无孔和开孔简支弹性薄板，推导出弹性屈曲临界应力和塑性屈曲平台应力的预测公式，结果表明理论计算与试验结果具有良好的一致性。结合纸基材的正交各向异性和纸蜂窝芯层的面外压缩特性，建立无孔、开孔纸蜂窝的有限元模型，仿真模拟蜂窝胞壁在弹性和塑性屈曲阶段的弯折变形演化过程，与静态压缩试验中所观察到的变形过程是一致的。     

双向荷载条件下八边形蜂窝结构因胞壁缺失所致应力集中分析

因胞壁缺失引起的应力集中现象是蜂窝结构在增材制造过程中亟待解决的问题,通过将胞壁缺失所致的缺陷等效成椭圆,基于复变函数方法得到了预测拉伸应力的解析公式和预测弯矩应力的分析方法,进而得到八边形蜂窝结构在双向荷载条件下缺失单行和多行胞壁产生的应力组合值。与数值模拟结果的对比分析验证了所提理论解析公式的有效性;同时得出距离缺陷最近胞壁上的拉伸应力解析解与数值解吻合良好,弯矩应力数值解与胞壁上的应力梯度呈明显的线性关系。与规则六边形蜂窝在多行缺陷条件下的应力集中程度进行对比,得出八边形蜂窝结构在荷载系数 和 时应力集中程度小于规则六边形蜂窝结构,从而为蜂窝结构增材制造设计提供理论指导。     

爆炸载荷作用下具有可折叠芯层夹芯梁的动态响应

基于目前研究最广泛的刚性折纸(Tachi-origami)样式,通过改变其初始折叠角度构建出4种不同的蜂窝胞元,并且通过排列分布将其组成夹芯梁。采用商用有限元软件Abaqus/explicit对准静态和爆炸载荷作用下可折叠芯层夹芯梁的力学响应进行研究,分析可折叠芯层的泊松比变化规律、夹芯梁背板挠度以及能量吸收机理;并将夹芯梁与等质量的实体梁进行对比。采用后面板最大挠度作为抗爆性能的评价,结果发现:可折叠芯层在准静态载荷下具有一定的负泊松比效应;夹芯梁的抗爆性能优于实体梁,曲边蜂窝的初始折角对其作为芯层夹芯梁的抗爆性能有较大影响,随着初始折角的逐渐增大,其抗爆性能逐渐下降;当初始折角为直角时对应于方孔直边蜂窝,其抗爆性能最差。     

爆炸载荷下双向梯度仿生夹芯圆板的力学行为

基于王莲仿生面内梯度芯层,通过引入面外梯度,设计了一种双向梯度仿生夹芯圆板。在此基础上,运用ABAQUS有限元软件,对不同排列方式的双向梯度夹芯圆板在不同爆炸载荷作用下的响应进行了数值仿真,着重分析了不同仿生夹芯圆板的前后面板挠度、芯层压缩量、变形模式和能量吸收等特性,得到了一种抗爆性能较好的芯层排列方式。结果表明:相较于单一的面外梯度夹芯圆板,合理设计的双向梯度仿生夹芯圆板可以有效降低后面板挠度,并提高芯层的能量吸收。     

曲壁蜂窝夹层板的振动特性研究

曲壁蜂窝具有负刚度特性,可以在大变形过程中吸收能量、抗冲击,并且在冲击过后可以自我恢复而不像传统蜂窝被压溃。本文将曲梁构成的负刚度蜂窝作为芯层,建立夹层板的动力学模型;推导出了曲壁负刚度蜂窝胞元的等效弹性参数,将其周期性排列为蜂窝芯,应用Reddy高阶剪切变形理论、Von-Karman大变形关系和Hamilton原理推导了负刚度蜂窝夹层板的非线性动力学方程;应用Navier法计算了四边简支边界条件下的固有频率。并利用有限元软件ABAQUS建立模型,计算固有频率,与理论计算结果进行比较,结果显示二者的计算结果具有较好的一致性,验证了芯层等效弹性参数及模型的有效性。探讨了在蜂窝胞元具有较高吸能情形下,夹层板在不同芯层厚度、不同芯厚比以及不同胞元曲壁厚度时的固有频率的变化特性。     

Flexural rigidity of honeycomb consisting of hexagonal cells

In this study,the flexural rigidity of a honeycomb consisting of regular hexagonal cells is investigated.It is found that the honeycomb bending can not be evaluated by using the equivalent elastic moduli obtained from the in-plane deformation because the moments acting on the inclined cell wall are different for in-plane deformation and bending deformation.Based on the fact that the inclined wall is twisted under the condition of the rotation angle in both connection edges being zero,a theoretical technique for calculating the flexural rigidity of honeycombs is proposed,and the validity of the present analysis is demonstrated by numerical results obtained by BFM.     

蜂窝板复合材料的等价弹性模量

运用复合法则计算蜂窝板复合材料的等价弹性模量, 并把此值与有限元法的分析数值计算结果进行比较, 指出在运用复合法则计算等价弹性模量时, 由于未考虑到蜂窝芯板与面板间的位移连续性条件, 其误差将很大; 提出了满足蜂窝芯板与面板间的位移连续性条件下的等价弹性模量理论分析的新的计算方法, 并且通过与有限元法的数值分析结果进行比较, 确认其有效性.      

Two-scale and full-scale analyses of elastoplastic honeycomb blocks subjected to flat-punch indentation

In this study, we perform comparative two-scale and full-scale analyses of elastoplastic regular hexagonal honeycomb blocks subjected to in-plane flat-punch indentation. Zigzag and armchair types of cell arrangements are considered for the blocks; relatively thick cell walls are assumed to focus on the effect of cell wall yielding rather than cell wall deflection. For the two-scale analysis, the fully implicit homogenization scheme developed by Asada and Ohno [Asada, T., Ohno, N., 2007. Fully implicit formulation of elastoplastic homogenization problem for two-scale analysis. International Journal of Solids and Structures 44, 7261–7275] is rebuilt by introducing half unit cells to halve the analysis domains in unit cells. For the full-scale analysis, three cell sizes are considered. It is shown that the two-scale analysis provides no apparent dependence on the two types of cell arrangements because of their equivalence under in-plane loading, whereas the full-scale analysis reveals that the local deformation in honeycomb blocks is highly dependent on cell arrangement. Nevertheless, the two-scale analysis is found to be successful in predicting the indentation load-displacement relation and the macroscopic localization direction in honeycomb blocks.     

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考虑共面载荷作用时薄壁蜂窝铝孔壁的弯曲、伸缩和剪切变形,基于Timoshenko粱理论精 确推导出了其共面弹性模量的计算公式,并利用壳单元设计了利用蜂窝铝特征单元来求共异 面弹性模量的有限元方法. 对厂家提供的两种蜂窝样品分别利用理论和有限元法进行了计算, 计算结果和实验数据相吻合,证明理论公式和有限元法的正确性. 最后就结构参数对蜂窝铝 各弹性模量相关材料效率的影响规律进行了分析.     

Approximate analysis of progressive deformation in honeycomb structures subjected to in-plane loading

Progressive deformation of honeycomb structures subjected to in-plane loading was approximately analyzed by using the collapse modes of hexagonal unit cells. The collapse modes were categorized as freely compressive, restricted compressive, and shear. Moreover, there were five characteristic deformation patterns, namely deformation bands. Average stresses of the collapsing honeycomb models were evaluated in terms of the plastic collapse stress per hinge and total number of hinges of progressively arising deformation bands. The displacements of the models were obtained by multiplying the displacement per cell with the number of collapsed cells. The present method was used to analyze progressive deformation of typical honeycomb structures. The validity of the stress–displacement relations derived for some structures was confirmed by comparing them with finite element method (FEM) results. Our method is much simpler than FEM but just as effective.     

Elastic buckling of honeycomb structure under out-of-plane pressure

A theoretical model and an analytical method, which are suitable for initial elastic buckling analysis of two-dimensional honeycomb structures including hexagonal honeycombs with walls of equal or unequal thickness, rectangular and triangular honeycombs etc., are developed in this paper. The results given in present paper agree well with the experimental data of hexagonal honeycombs with walls of unequal thickness.The project was supported by National Natural Science Foundation of China.     

缺陷分布不均匀性对蜂窝材料面内冲击性能的影响

利用显式动力有限元方法数值讨论了缺陷（胞壁缺失）分布不均匀性对蜂窝材料面内冲击性能的影响。首先,参考理想六边形蜂窝材料在不同冲击速度下的变形特性,将蜂窝材料划分成9个区域,在此基础上讨论了缺陷分布在不同区域时对蜂窝材料面内冲击性能的影响。研究表明,在冲击载荷作用下,除了缺失率以外,蜂窝材料的面内冲击性能也依赖于缺陷的分布,且在中低冲击速度时表现出更高的敏感性。随着缺失率的增加,蜂窝材料的平台应力明显减小,而平台应力对缺失率及冲击速度的敏感性依赖于缺陷的位置。该结论对蜂窝材料的安全性评估及动力学优化设计具有一定的指导意义。     

Yield surfaces of various periodic metal honeycombs at intermediate relative density

Initial yield surfaces are derived for several periodic metal honeycomb cell structures with sufficiently high relative density that failure occurs by plastic yielding. Both in-plane stress states (normal stresses perpendicular to cell axes, with in-plane shear) and triaxial stress states with one principal stress direction along the cell axes are considered. Beam/column and plate/shell yield criteria are adopted to address general in-plane loading and 3D triaxial loading, respectively, accounting for combined cell wall stretching and bending as appropriate. Cell wall behavior is assumed to be elastic-perfectly plastic. The initial yield surfaces for different periodic cell structures are systematically compared. Some issues related to the initial yield surfaces of various honeycombs are discussed, including dependencies on relative density and in-plane and out-of-plane applied stresses, as well as the influence of joints between cell walls.