泡沫铝填充薄壁圆管的三点弯曲实验的数值模拟

泡沫金属填充薄壁结构的应用日趋广泛,建立合理的数值计算模型对结构设计和工程应用非常重要.该文通过对泡沫铝填充薄壁铝合金圆管的三点弯曲实验的数值模拟,研究了它的力学行为.采用ABAQUS软件,建立了空管和泡沫铝全填充管的有限元模型,并对这两种结构在三点弯曲下的力学行为进行了数值模拟,所得结果与实验结果符合得较好.通过数值模拟分析了结构的承载机理和不同压头直径对结构承载能力的影响.此外,还研究了泡沫铝部分填充圆管的三点弯曲行为,分析了不同填充长度对结构承载能力的影响.     

填充式泡沫铝防护结构的弹道极限

为了探索泡沫材料在空间防护上的应用,结合实验和数值模拟,绘制了弹速0.5~7.0km/s范围 内填充式泡沫铝防护结构的弹道极限曲线,并与Whipple结构进行了比较。结果表明:填充式泡沫铝防护结 构的防护性能优于同等面密度、总厚度的Whipple结构;孔隙率对填充式泡沫铝防护结构防护性能影响较小。     

泡沫铝爆炸冲击特性的数值研究

基于流体弹塑性模型,建立了泡沫铝在爆炸载荷下的冲击特性方程。采用Lagrange差分格式,在 均匀网格上对方程进行了离散。编写了数值计算程序,进行了炸药在空中和水中爆炸的一维数值计算。爆炸 场中考虑了泡沫铝密度、环境介质对泡沫铝材料冲击特性的影响。结果表明:数值计算结果与理论解、实验实 测结果基本吻合,证明所建立的泡沫铝的流体弹塑性本构方程可以用来描述泡沫铝的冲击特性;泡沫铝的密 度越低,泡沫铝中的压力峰值越小;在接触爆炸条件下,泡沫铝外侧环境介质的性质对临近环境介质端泡沫铝 中的压力影响明显,其中,环境介质若为空气,则临近空气端泡沫铝中的压力呈下降趋势,若环境介质为水,则 临近水端泡沫铝中的压力呈上升趋势。     

泡沫铝夹层结构抗冲击性能的近场动力学模拟分析

针对某光学舱所采用的泡沫铝夹层防护结构在破片冲击下的抗冲击性能问题,采用Monte-Carlo方法创建了泡沫铝结构的二维细观模型,在常规态型近场动力学理论中引入了Mises屈服准则和线性各向同性强化模型,建立了近场动力学塑性本构的数值计算框架。基于近场动力学计算程序模拟了低速冲击作用下泡沫铝夹层结构的塑性变形以及有机玻璃背板的裂纹扩展形态,分析了泡沫铝芯材孔隙率对该夹层结构抗冲击性能和损伤模式的影响规律。结果表明：泡沫铝夹层结构良好的塑性变形能力是其发挥缓冲与防护作用的主要因素,并且在一定范围内,泡沫铝芯材孔隙率越高,则夹层结构具有更好的抗冲击性能;当泡沫铝孔隙率从0.4提升到0.7时,泡沫铝对冲击物的动能吸收率从90%提高到99%;模拟结果与实验结果具有较好的一致性,验证了模拟结果的准确性和分析结论的有效性。通过数值模拟,预测了有机玻璃背板的裂纹扩展形态,发现提高泡沫铝的孔隙率能获得更好的防护效果。     

开孔泡沫铝填充圆管的准静态压缩行为

采用开孔结构泡沫铝填充到薄壁圆形铝管中,制备出开孔泡沫铝夹芯铝管,并进行压缩实验,研究了这种结构材料的压缩力学行为和变形特征以及材料的结构特征参数对压缩力学性能和能量吸收特性的影响。在压缩过程中,泡沫铝夹芯铝管的载荷-位移曲线呈现出弹性段、波动的屈服平台段和压实段3个阶段特征;铝管的径厚比及泡沫铝本身的参数和强度对填充管的屈服强度、平均压溃力和吸能特性均有着非常显著的影响。填充泡沫铝后铝管的压缩变形方式发生改变,管壁只发生向外翻折变形,产生的环状褶皱减少。     

高速碰撞下圆柱壳自由梁的穿孔特性

利用二级轻气炮加载,进行了球状2A12铝弹丸垂直撞击圆柱壳自由梁实验。并进行了弹丸速度、圆柱壳直径和壁厚等因素对穿孔直径影响的数值模拟,数值模拟结果和实验结果基本吻合。通过量纲分析和数值模拟结合,推导了穿孔直径与相关影响参数的经验关系式。研究结果表明:当圆柱壳直径和厚度不变时,高速撞击产生的穿孔直径在径向和轴向都随着弹丸速度增大而增大;当弹丸速度和圆柱壳厚度不变时,高速撞击产生的穿孔直径随着圆柱壳自由梁直径的增大而减小;当弹丸速度和圆柱壳直径不变时,穿孔直径随着圆柱壳厚度的增大而减小。     

空心及PMI泡沫填充铝波纹板夹芯梁冲击性能的数值研究

已有文献在空心及PMI泡沫填充铝波纹夹芯梁受泡沫铝块冲击作用的实验中观察到:泡沫填充夹芯梁在相同的载荷下,比相同重量的空心夹芯梁产生更大的后面板中点塑性永久位移。为了分析实验中观察到的现象并揭示其中的力学机理,本文基于商用有限元软件Abaqus/Explicit对空心及泡沫填充铝波纹夹芯梁在冲击下的动态响应进行了数值模拟研究;通过考察芯体与面板间理想连接和脱粘两种情况,研究了界面粘结性能对夹芯梁抗冲击性能的影响。结果表明,实验结果介于这两种情况的模拟结果之间。通过分析空心及泡沫填充夹芯梁不同子结构的塑性吸能差异,发现填充泡沫后夹芯梁的前面板吸能相对于空心夹芯梁有所减小,而后面板的吸能则相对增加。对两种夹芯梁前后面板中点速度的研究表明,由于填充泡沫的波纹芯体对前后面板的支撑作用增大,减缓了前面板的变形并加剧了后面板的变形,因此通过填充泡沫可以减小夹芯梁前面板的变形和撕裂,然而会增大后面板的塑性永久位移。     

低密度开孔泡沫材料力学模型的理论研究进展

开孔泡沫材料主要用于隔音、减振和填充方面，对其力学行为进行理论描述，探讨力学性能与密度及复杂微结构的关系具有十分重要的学术价值和工程意义．为了促进国内泡沫材料力学的发展和交流，文中对低密度开孔泡沫材料力学模型的研究历史进行了简要回顾，重点介绍了能较好地反映开孔泡沫材料真实胞体结构特点的十四面体胞体模型和随机胞体模型，并报道了近年来基于十四面体胞体模型和随机胞体模型研究低密度开孔泡沫材料力学行为的一些理论工作、同时，也对国内的一些相关研究情况进行了简要评述，指出了该领域今后的一些研究方向．     

闭孔泡沫铝泊松比及三轴压缩变形模式

在闭孔泡沫铝的唯象本构模型中, 泊松比是一个非常关键的参数, 为了探究闭孔泡沫铝泊松比变化规律研究结果存在分歧的原因, 认识闭孔泡沫铝泊松比变化规律中特征点的物理意义, 采用数值模拟方法, 建立了闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型及2D-Voronoi模型, 对模型进行侧面位移耦合单轴压缩边界条件下的仿真分析; 基于闭孔泡沫铝本构模型的唯象特性, 对闭孔泡沫铝变形模式的研究同样十分重要, 为明确其三轴压缩下的变形模式, 对闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型进行侧面位移受限轴向压缩边界条件下的仿真分析. 研究结果表明, 常规壳单元接触中的厚度减薄特性是闭孔泡沫铝泊松比变化规律的研究结论存在分歧的原因, 但厚度减薄不影响泡沫铝模型致密前胞孔结构的变形模式; 闭孔泡沫铝泊松比的准确变化规律为“增高?降低?再增高”的“S”型曲线, 并且, 曲线极大值对应闭孔泡沫铝吸能效率的增速下降点; 等比压缩应力状态下, 闭孔泡沫铝存在四种侧面变形模式, 分别为“(短期)压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→膨胀变形→压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→(短期)膨胀变形”及“压缩变形”.      

泡沫铝弹性接触静力学行为的多尺度模拟

对泡沫铝的宏、细观组织结构,基于MC方法建立与材料制备工艺相应的数值模型,作为多尺度模拟的前提.通过计算模拟和统计分析大量数值试样的力学性能,得到了不同制备工艺制得的泡沫铝的弹性模量的分散性特点.借鉴代表性体积单元方法(RVE)和完全多格方法(FMG)的思想,采用基于"巨原子"模型的多尺度关联方法,并以简化的物理势场描述巨原子问的关系,设计了原子-巨原子-有限元多尺度算法.通过算例探讨了与理想刚性平面接触时,泡沫铝接触表面的应力集中情况.     

Aluminum foam-filled extrusions subjected to oblique loading: experimental and numerical study

The behavior of empty and foam-filled square thin-walled aluminum columns in alloy AA6060 subjected to quasi-static oblique loading was examined. Previous studies have shown that by introducing a load angle, the energy absorption decreases drastically compared to axial loading. One of the main objectives of the present investigation was to study the effect of introducing aluminum foam filler on the energy absorption. The square columns were clamped at one end and oblique load conditions were realized at the other end by applying a force with different angles to the centerline of the column. An experimental program was carried out where the main parameters were load angle, foam density and heat treatment of the extrusion material. Additionally, numerical analyses of the experiments were performed, mainly to verify a numerical model of the obliquely loaded foam-filled columns. The foam was modeled with the foam model of Deshpande and Fleck, together with a simple fracture criterion, which previously has been implemented as a user subroutine in LS-DYNA. The study shows that high-density aluminum foam filler increases the energy absorption considerably, but the specific energy absorption is lowered compared to the empty cross sections. Furthermore, the numerical analyses were able to predict the experimental results with reasonable accuracy.     

泡沫铝填充金属薄壁圆管侧向压缩的实验和理论

利用实验研究与理论分析相结合方法研究了泡沫铝填充金属薄壁圆管在准静态侧向压缩下的力学响应。基于能量法,建立了泡沫铝填充圆管和金属薄壁圆管在侧向均匀压缩时的瞬时侧向力、平均侧向力和总吸能的理论公式。对泡沫铝填充管与金属薄壁圆管进行了准静态侧向压缩实验,并且将实验结果与理论公式进行了对比,结果表明理论预测值与实验结果吻合较好。基于建立的理论分析模型,研究了管的几何尺寸以及泡沫铝材料的密度对结构的瞬时侧向力、平均侧向力、总吸能和比吸能的影响。结果表明,在准静态侧向压缩下,泡沫铝填充管的总吸能大于对应的金属薄壁圆管;泡沫铝填充管的侧向压缩力和总吸能随管长度、壁厚和直径的增加而增大;当填充材料泡沫铝密度增大时,填充管的总吸能与侧向压缩力均增加。     

考虑周长约束的圆柱薄壳初始几何缺陷随机场建模方法

利用随机场对圆柱薄壳结构的初始几何缺陷进行建模,并据此建立了一种用于含初始几何缺陷轴压圆柱薄壳屈曲分析的随机分析方法。首先,指出已有将圆柱薄壳初始几何缺陷表征为二维高斯随机场的方法会导致与实际不相符的初始几何缺陷,如圆柱周长显著增大或缩小的几何缺陷。其次,提出一种考虑周长不变约束的随机场建模方法,以剔除与实际不相符的随机几何缺陷。最后,基于所建立的初始几何缺陷随机场模型,利用非干涉多项式混沌展开法进行圆柱薄壳的随机屈曲分析,给出临界屈曲载荷的概率分布。数值试验结果表明,基于随机场理论的初始几何缺陷建模方法可有效刻画几何缺陷对结构承载能力的影响,而提出的约束随机场建模方法又能有效减小结果的分散性。     

泡沫铝合金填充圆管三点弯曲实验研究

用实验方法研究了三种不同管壁厚度、两种跨径的泡沫铝合金填充圆管的三点弯曲力学性能,得到了泡沫铝合金填充管结构承载过程中的三种变形模式,即压入、压入弯曲和管壁下缘拉裂破坏。给出了空管和泡沫铝合金填充管的载荷位移曲线,并进行了比较。实验发现泡沫铝合金填充管结构的承载能力随泡沫铝合金密度的增大而增大,但破坏应变则随之减小。结构承载力的相对提高量随着管壁厚度的减小和跨径的增大而增大。此外,分析了泡沫铝合金提高填充管结构承载能力的机理。泡沫铝合金填充使管壁压入量和管截面抗弯刚度的损失显著减小,从而提高了结构的抗弯能力。     

On stability of cylindrical shells of variable thickness with initial imperfections

The paper outlines a numerical method for stability analysis of cylindrical shells with initial imperfections. We solve a nonlinear buckling problem for a cylindrical shell with variable wall thickness under surface pressure. The imperfections of the shell are modeled as the first buckling mode. A probabilistic approach is used to determine the reliability against buckling of the cylindrical shell with the probability density of initial imperfections represented by uniform distribution, triangular distribution, or Gaussian distribution     

Buckling and Postbuckling of Laminated Thin Cylindrical Shells under Hygrothermal Environments

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ,ｆｉｂｅｒ＿ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｄｓｈｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅａｅｒｏｓｐａｃｅ ,ｍａｒｉｎｅｉｎｄｕｓｔｒｙ ,ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｏｔｈｅｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ.Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｌｉｆｅ ,ｔｈｅｖａｒｉａｎｃｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｉ…     

闭孔泡沫铝的多轴唯象受压本构参数

基于显微计算机断层扫描影像信息, 逆向重建闭孔泡沫铝试件的三维细观有限元模型, 定量研究闭孔泡沫铝在多轴压缩载荷作用下的大变形力学行为. 讨论了泡沫金属唯象弹塑性本构参数的确定方法, 根据计算结果确定了3 个有代表性的泡沫材料本构模型的本构参数, 并验证了这些本构模型在描述多轴压缩应力状态下的精度. 研究表明, 对于单轴压缩, 3 个本构模型的屈服面均有很好的精度;对于静水压缩, 有限元软件"ABAQUS"的可压缩泡沫本构模型屈服面会发生严重偏离, 陈-卢本构模型"屈服面" 略微低估静水压缩的屈服应力, 而体积强化本构模型的屈服面有很好的精度.