铝蜂窝在压-剪组合荷载作用下的力学特性研究

对铝蜂窝在压-剪组合荷载作用下的变形特征进行试验研究,并基于试验建立铝蜂窝数值计算模型,分析各参数对铝蜂窝在压-剪组合荷载作用下力学行为的影响。结果表明:在TL面内加载时,蜂窝变形逐渐由只在一端(加载端)变形过渡到同时在两端(加载端和非加载端)变形。在TW面加载时,蜂窝主要在一端(加载端)产生变形,并且更容易出现脱胶破坏;蜂窝峰值荷载、平均荷载以及比能与l/t值呈负相关关系。l/t值相同时,单元边长l、单元壁厚t越小,则蜂窝平均荷载和比能越大。单元边长l对蜂窝平均荷载的影响要大于单元壁厚t对平均荷载的影响;增大蜂窝高度会降低结构吸能效率。     

复杂应力状态下尼龙66力学性能研究

为了得到尼龙66试样在压缩以及复合压剪加载条件下的力学响应,采用国产三思万能试验机,并引入了2个带有双斜截面的金属垫块以及1个聚四氟乙烯套筒的特殊加载装置,对尼龙66试样进行复合压剪试验。此外,金属垫块的斜截面被加工成不同的倾斜角度θ(15°、30°、45°、50°和60°),通过调整角度获得了试样在不同压剪应力状态下的力学响应,并通过分析复合压剪加载时其受力情况得到其屈服行为。实验表明:尼龙试样的力学性能对剪切敏感并且随着剪切组分的增加而弱化,尼龙屈服行为与静水压具有相关性;同时验证了引入双斜面金属垫块的实验方式是一种能有效研究材料失效行为的测试方法。     

内凹-星型三维负泊松比结构设计及冲击吸能特性

负泊松比结构因其反常的变形机制在缓冲吸能领域具有可观的应用前景。该文设计并表征了一种参数可调的新型负泊松比结构。采用理论和数值模拟相结合的研究手段,系统地研究了结构的静/动态力学性能和吸能特性。研究结果表明：新结构具有较好的力学性能和参数可调性;在静态压缩条件下,新型蜂窝结构具有更高的刚度和更优异的吸能性能,其比吸能值是内凹型蜂窝结构的2.64倍,是星型蜂窝结构的3.89倍;在动态冲击条件下,内凹-星型结构的吸能性能在低速时优于两种传统蜂窝结构(内凹和星型),在中高速时其吸能优势有所退化,与内凹型蜂窝结构相当,但远高于星型蜂窝结构。     

星型-箭头蜂窝结构的面内动态压溃行为

基于内凹机制,将星型和双箭头蜂窝的微结构巧妙结合,提出了一种新型拉胀蜂窝模型（简称星型-箭头蜂窝（SAH））。基于该模型,采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对其在不同冲击速度和不同相对密度下的变形模式进行了数值模拟研究。结果表明,在星型蜂窝（SSH）中加入箭头蜂窝的微结构将会减弱较低速度下动态压缩SSH时出现的局部"颈缩"现象,使SAH靠近冲击端附近出现了明显的"菱形"变形带,并具有更长的平台区和更高的平台应力。此外,在不同冲击速度下SAH单位质量的吸能值均大于SSH。详细讨论了冲击速度和相对密度对SAH平台应力的影响规律,并给出了平台应力的经验计算公式。      

岩体结构面切向循环加载本构关系研究

回顾岩体结构面切向循环加载的力学试验和数值模型,并建立新的本构模型。在粘接状态下,结构面切向本构关系表示为由双曲线和直线段组成的滞回曲线。在接触状态由粘接变为滑移的过程中,峰值摩擦角以双曲线函数逐渐降低至残余摩擦角,体现出峰值剪切特性。考虑结构面切向与法向耦合的剪胀关系,建立相应的接触刚度矩阵,并引入初始剪胀角和残余剪胀角来建立分段抛物线形式的剪胀曲线。循环加载导致的磨损对结构面的摩擦和剪胀特性均产生影响,通过以切向塑性功指数函数表示摩擦角和剪胀角的磨损过程。模型在物理意义上反映了切向循环加载的特性,计算结果能较好地拟合试验曲线。     

异面预压铝蜂窝降低初始峰值力敏感性分析

利用动态几何信息再更新策略,重置预压后胞元的单元信息及边界条件,实现了铝蜂窝预压缩数值模拟。对比准静态实验,分析了预压缩前后蜂窝力学特性的变化。采用数值模拟手段研究了预压缩对峰值力特性在冲击速率与预压深度两方面的敏感性,结果表明:准静态加载时,蜂窝直接进入稳定压缩段,初始峰值力不复存在;动态低速加载时,若预压量低于某定值,蜂窝先进入稳定压缩段,继而出现二次峰值,达到甚至超过该值后,预压后峰值特性趋于稳定,峰值均出现在加载初始时刻,理想的周期性褶皱对应周期性峰值力的现象并不存在;对出现二次峰值的预压蜂窝,二次峰值随冲击速率的提高增加不明显,在速率达到20m/s后,反而在加载初始时刻出现新的初始峰值力,该力值甚至大于二次峰值;总体而言,二次峰值与预压后初始峰值均小于未预压处理的蜂窝初始峰值,峰值特性得到明显改观。系列结果对蜂窝吸能材料选择与设计提供重要参考。     

泡沫填充蜂窝材料动态力学性能的物质点法模拟

为了研究泡沫填充蜂窝材料(FFH)在动态加载下的力学响应和吸能效果,采用物质点法建立了FFH的细观物质点模型。泡沫细观物质点模型的应力-应变曲线与理论模型和实验结果吻合较好,FFH细观物质点模型的变形失效模式与实验结果一致。研究发现,填充泡沫和蜂窝分别通过塑性变形和屈曲变形吸能,填充泡沫对蜂窝吸能效果增强效应显著。获得了填充泡沫密度和加载应变率对FFH变形损伤和吸能效果的影响。填充泡沫密度增加,FFH动态力学性能提高,吸能总量增加,蜂窝吸能增加。填充泡沫增强了蜂窝的屈曲强度,促进蜂窝抵抗更多的变形。FFH的应力-应变曲线对加载应变率敏感,其吸能效果受加载应变率一定程度的影响,但总量变化不超过15%。吸能总量和组分吸能比例由FFH整体结构决定,与加载应变率无关。      

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%。     

粉煤灰空心球/Al复合泡沫材料准静态力学性能及本构模型

为研究粉煤灰空心球/Al(Fly ash cenosphere/aluminum syntactic foam,FAC/Al)复合泡沫材料静力性能,采用万能试验机对铝基复合泡沫材料进行了准静态轴向压缩性能试验,考察了不同空心球平均粒径(分别为150、200和300 μm)对铝基复合泡沫材料变形失效模式及力学性能的影响,并获取了具有不同空心球粒径的复合材料在准静态下的应力-应变曲线,在此基础上分析了空心球粒径大小对复合材料能量吸收性能的影响。试验结果表明,在准静态荷载作用下,随着空心球粒径的增大,复合材料的压缩屈服强度、吸能能力及理想吸能效率有着明显的降低。此外,在获得的应力-应变曲线基础上,采用最小二乘法拟合得到了铝基复合泡沫在准静态荷载作用下的本构方程,并对其进行了验证,结果表明该方程具有较好的拟合度。      

蜂窝纸板静态压缩试验研究及其模拟分析

对4种不同厚度的蜂窝纸板进行了静态压缩的完全加载和二次加载实验,结果表明:完全加载过程有4个明显的阶段;最大压力都为屈服力的2~3倍;30 mm厚度的蜂窝纸板其屈服阶段占厚度的百分比最大;二次加载的实验曲线分为3个阶段,可以有效消除蜂窝纸板的屈服强度峰值,改善蜂窝纸板的缓冲特性。AN-SYS软件模拟分析表明:距离面纸1/5~2/5处的蜂窝纸芯最容易屈服变形;粘结处变形比各面上变形量大;中间部位易产生向内变形,而两端易产生向外变形。     

纤维增强水泥基复合材料压剪破坏的细观实验研究

对聚丙烯纤维和钢纤维增强水泥砂浆复合材料和混凝土复合材料进行了MTS 准静态单轴压缩实验和压剪加载条件下的细观力学实验研究。比较两类纤维在这两种加载条件下的作用发现: 在单轴压缩条件下, 钢纤维作用显著, 聚丙烯纤维基本没有什么作用;在压剪加载条件下, 钢纤维在材料各个变形阶段均起明显作用, 聚丙烯纤维在加载过程中起到一定的作用, 但由于含量较少对材料的极限荷载基本没有贡献。在细观实验中, 观察到了钢纤维和碎石颗粒在材料破坏过程中脱粘与断裂的作用方式。但只是在水泥砂浆试件的局部观察到了孔洞崩塌现象, 对于其促成压缩带形成的机理尚须深入的工作。     

纤维铺层角度对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性影响研究

研究T700/3234复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性受纤维铺层角度变化的影响规律。开展复合材料力学性能试验和薄壁圆管轴向准静态压溃试验。通过对比圆管轴向压溃峰值载荷及比吸能等指标的试验结果,验证建立的复合材料圆管有限元模型和分析方法。基于验证的有限元分析方法,探讨了复合材料纤维铺层角度的变化对薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响规律。结果表明,在准静态轴向压缩载荷下,随着纤维铺层角度的增大,比吸能先增大后减小;纤维角度为±45°时,初始峰值载荷最低,载荷效率最高,圆管易于进入渐进破坏吸能阶段。研究结果可为复合材料纤维铺层角度设计及复合材料薄壁结构有限元建模提供参考。     

纸瓦楞-蜂窝复合夹层结构的跌落冲击缓冲性能研究

针对纸瓦楞与纸蜂窝的复合夹层结构在跌落冲击动态压缩条件下的缓冲防护性能,研究了纸蜂窝厚度对单面、双面复合形式的冲击加速度响应、变形特征和缓冲吸能特性的影响规律。结果表明,瓦楞夹层先压溃,其次是蜂窝夹层,而且较大的蜂窝厚度会引起纸蜂窝芯层的次坍塌行为。在相同冲击质量或冲击能量条件下,同一蜂窝厚度的单面复合夹层结构的单位体积吸能、比吸能和行程利用率较双面复合结构分别增加了7.94%、28.34%和8.47%,但总吸能较于双面复合结构降低了16.12%,单面复合夹层结构的缓冲吸能特性优于双面复合夹层结构,而双面复合夹层结构的抗冲击性能优于单面复合夹层结构。对于纸蜂窝厚度10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的复合夹层结构,低冲击能量作用下蜂窝厚度的增加降低了结构的缓冲吸能特性,高冲击能量作用下蜂窝厚度的增加提高能量吸收能力。纸蜂窝厚度10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的复合夹层结构的比吸能、单位体积吸能和行程利用率是蜂窝厚度70 mm的复合夹层结构的1 倍~3 倍,较低厚度的纸蜂窝更有利于复合夹层结构的缓冲吸能。     

倾斜胞壁Nomex蜂窝芯压剪复合力学响应

成形具有一定曲率的夹层结构时,需要将蜂窝芯铣削成曲面形状,造成蜂窝胞壁呈一定倾角,进而降低蜂窝夹芯结构面外承载能力。为了定量化分析面外载荷作用下倾斜胞壁蜂窝芯的力学性能,建立了倾斜胞壁蜂窝芯面外压剪复合有限元模型,并通过设计专用Arcan夹具实现蜂窝芯的面外压剪复合加载,用于验证模型的有效性。对比仿真与实验结果,发现蜂窝芯压剪响应及胞壁变形模式吻合较好。利用验证的有限元模型对胞壁倾角范围为0°～40°的蜂窝芯在面外压剪复合载荷下的力学响应进行了研究,结果表明随着蜂窝胞壁倾角的增大,蜂窝芯面外承载能力逐渐降低;当胞壁倾斜角由0°增加到40°,初始应力峰值下降最大幅度为47.7%,平原阶段强度下降幅度为29%;进一步分析了倾斜胞壁蜂窝芯截面芯格尺寸与胞壁倾角的几何关系,将倾斜胞壁蜂窝芯等效为具有相同截面尺寸的垂直胞壁蜂窝芯,推导了倾斜胞壁蜂窝芯在面外压缩及剪切载荷作用下的坍塌强度,揭示了胞壁倾角对蜂窝芯坍塌强度影响机制。     

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。     

纸夹芯和泡沫复合层状结构的静态缓冲吸能特性研究

针对由发泡聚乙烯（EPE）、瓦楞纸板、蜂窝纸板组成的复合层状结构的包装防护作用,通过实验对比分析了这类结构的横向静态压缩变形特征和缓冲吸能特性。结果表明,这类结构在压缩初始阶段和最后阶段主要表现为EPE的力学性能,而在中间阶段为瓦楞纸板、蜂窝纸板的力学性能。复合层状结构的弹性模量、总吸能、行程利用率均高于EPE,而单位体积变形能则由于试样厚度增加幅值不同,并未表现出与总吸能一致的变化规律。比吸能随着压缩应变增大而增加,几乎不受压缩速度的影响,其中EPE与蜂窝纸板复合层状结构的比吸能均大于EPE与瓦楞纸板复合结构。在应力水平较小时,EPE与瓦楞纸板复合层状结构的能量吸收效率大,然而在应力水平较大时,EPE与蜂窝纸板复合的能量吸收效率大。     

闭孔泡沫铝缓冲性能及其变形失效机理研究

在闭孔泡沫铝的准静态压缩实验基础上,研究不同孔隙率下的力学性能和吸能性能,分析其压缩变形机理。结果表明,闭孔泡沫铝的压缩过程存在明显的3个阶段:线弹性阶段、塑性平台阶段和致密化阶段。随着孔隙率的增大,闭孔泡沫铝的屈服强度、弹性模量和压实应力均减小。在压缩过程中,吸能效率和理想吸能效率均是先上升后下降。孔隙率对吸能效率影响较大,对最大理想吸能效率影响不大。将理想吸能效率曲线和吸能效率曲线结合可以选择合适的缓冲材料,发挥其最佳吸能特性。闭孔泡沫铝在准静态压缩条件下有良好的塑性变形能力,变形呈逐层破坏的特征。     

改进星形蜂窝结构面内动力学响应及能量吸收特性研究EI北大核心CSCD

为提高蜂窝结构的吸能稳定性,基于星形蜂窝结构(star-shape honeycomb, SSH),采用箭头代替其水平壁,并引入与四个凹角接触的方形薄壁,构建了一种改进星形蜂窝结构(improved star-shape honeycomb, ISSH)。基于冲击波理论,确定了改进星形蜂窝的低、中、高压溃速度的范围。基于有限元仿真分析了不同冲击速度下的变形模式和吸能特性。结果表明,在不同的冲击载荷下,ISSH具有更高的比能量吸收。基于典型单元的变形特征,构建了理论分析模型,基于能量守恒与动量守恒得到了其在低速和高速加载下的平台应力,理论计算与数值模拟结果呈现出较好的一致性。结果表明:与SSH相比,箭头形和方形薄壁结构的引入提高了ISSH变形的稳定性,ISSH具有更强的吸能能力。研究结果有助于抗冲击防护结构设计。     

初始静剪应力下土与结构接触面静力特性研究

运用80t三维多功能土工试验机对粗粒土与结构接触面在一定初始静剪应力下的三维单调力学特性进行了试验研究。结果表明:接触面在不同剪切方向下均先剪缩后剪胀,剪胀主要在加载后期接触面接近和达到抗剪强度、切向位移较大时产生;接触面切向变形存在非共轴现象,切向位移增量方向随剪切的进行与切向应力逐渐靠近;切向位移间关系基本为直线,且其与初始静剪应力间的夹角和剪切方向角存在良好的数学关系;接触面抗剪强度包线基本为圆形,呈各向同性;剪切方向对接触面剪缩量、体变与切向位移关系、体变与切向应力关系及切向应力-应变关系有较大影响。     

软质聚氨酯泡沫的冲击力学性能

采用岛津试验机与改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,得到了两种分别用作汽车坐垫和靠垫材料的软质聚氨酯泡沫在不同应变率下的应力应变曲线。实验结果表明,材料强度对密度和应变率敏感。动态条件下,泡沫密实后,横向惯性效应导致泡沫被拉坏。而准静态变形达到80%时,卸载后变形仍能回复。评价两种泡沫的吸能特性时,发现两种密度的海绵动态吸能性能比静态时要差。最后对坐垫泡沫的厚度进行了优化设计。