铺层顺序对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响研究

采用仿真和试验相结合的方法探讨复合材料薄壁圆管在准静态轴向压缩载荷下的失效吸能特性和吸能机理。首先,建立复合材料薄壁圆管"层合壳"有限元模型,通过显式动力学方法求解其在准静态轴向载荷下的压溃失效力学行为。仿真与试验结果在圆管轴向压溃变形过程、初始峰值载荷、平均压溃载荷及比吸能等主要吸能参数上具有很好的一致性,验证了"层合壳"复合材料圆管有限元模型和建模方法的有效性。其次,采用解析模型与仿真分析方法分别对[0/90]_3s、[0/90/0₂/90₂]_s、[0₃/90₃]_s三种不同铺层顺序的复合材料圆管的屈曲载荷与吸能特性进行了对比,进一步分析了铺层顺序对圆管失效吸能特性的影响。研究表明,0°与90°铺层交替程度对复合材料圆管的吸能特性影响较大,保证纤维失效方式在结构宏观失效中占主导地位能够提高材料失效吸收能量。     

含随机不确定参数复合材料薄壁结构吸能特性评估方法研究

针对复合材料力学性能分散度大、加工精度低,导致复合材料薄壁吸能因素不确定等,提出含随机不确定参数复合材料薄壁结构吸能特性评估方法。考虑材料力学性能及结构特征尺寸的不确定性,评估准静态压溃条件下薄壁圆管峰值载荷及比吸能指标。据试样级材料性能实验确定各参数分布特征;用Plackett-Burman方法选实验点,采用显式求解有限元方法分析选出对比吸能、峰值载荷影响显著的参数;建立影响显著参数及结构吸能特性指标间二阶响应面函数;据参数分布抽样计算获得吸能特性指标分布情况。结果显示,对复合材料薄壁圆管而言,纤维方向拉伸、压缩强度及圆管壁厚、基体压缩强度对其轴向压溃的比吸能及峰值载荷影响显著。     

复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃失效行为

有效的触发机制能诱导并改善复合材料吸能结构的轴向渐进压溃行为,但仍无法解决汽车吸能结构在斜向冲击载荷下的失稳问题。为了提出新的设计来改善失稳行为,对复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃行为和失效机制进行研究。建立引入半圆凹槽触发机制的圆管有限元模型,采用界面和层内非线性损伤演化模型来模拟其真实的压溃失效模式。通过对比模拟和实验对应的轴向压溃载荷、吸能和失效模式来验证圆管的准静态压溃模型。进而,预测斜向压溃角度(10°～50°)对圆管在半圆凹槽触发机制下压溃行为的影响,并详细揭示其轴向和斜向压溃失效机制及其区别。结果表明,压溃载荷、吸能及失效面积随角度增大而明显减小,不稳定的压溃过程使材料失效耗能不充分。圆管在轴向压溃下表现为渐进破坏,而在斜向压溃下以“渐进破坏”向“失稳破坏”过渡为特征,导致斜向压溃载荷与吸能曲线均存在一个过渡。本研究加深了对圆管在外部触发机制下斜向压溃失效机制的理解,为改善斜向压溃失稳行为提供了一定的设计依据。     

复合材料层合结构破坏机理及压溃吸能特性分析

针对纤维增强复合材料层合试验样件,对[90]_(16)和[0]_(16)试验样件分别进行拉伸、压缩试验,对[±45]_(4s)试验样件进行剪切试验,分析其破坏模式,通过SEM扫描电镜观察试验样件断口微观形貌,揭示其细观破坏机理。针对纤维增强复合材料层合薄壁结构,对[±45/0/0/90/0]_s圆管、[0/90]_(3s)圆管、[0/90]_(3s)方管和[±45]_(3s)方管进行准静态轴向压溃试验,分析其宏观破坏模式及吸能特性。结果表明:宏观破坏模式是多种细观破坏机理共同作用的结果,包含纤维断裂、基体变形与开裂、层间与层内裂纹扩展等;[±45/0/0/90/0]s圆管为横向剪切破坏模式,比吸能最大;[0/90]_(3s)圆管为层束弯曲失效模式,比吸能次之;[0/90]_(3s)方管为层束弯曲失效模式,比吸能第三大;[±45]_(3s)方管为局部屈曲失效模式,比吸能最小。不同铺层方式复合材料层合薄壁圆管和方管压溃破坏失效模式差异较大,比吸能差距也较大,通过合理设计可以改变复合材料层合薄壁结构破坏模式,改进其吸能特性。     

变刚度碳纤维/环氧树脂复合材料薄壁圆管轴向压溃响应与破坏机制

通过控制缠绕线型改变轴管纤维角度,制备了一种轴向刚度渐变、压溃稳定的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)变刚度薄壁圆管。对变刚度、[±45°]_n以及[90°]_n三类CFRP缠绕轴管进行轴向准静态压缩测试,结合数字图像相关技术(DIC)及有限元结果,对比三类结构压溃初始应变模式、损伤演化与应力状态结果,研究了变刚度结构的压溃响应与破坏机制。结果表明:不同纤维角度CFRP轴管因轴向刚度不同,压溃的初始破坏与损伤演化过程相异,三类结构产生不同的压溃响应与破坏模式。变刚度区连续变化的大角度纤维能有效地引发分层和“开花式”混合破坏,缓慢释放应变能,使变刚度CFRP轴管吸能效果明显优于其他两类结构。其峰值载荷为66.97 kN,压溃效率为50.8%,比吸能为10.1 kJ/kg,相对于[±45°]_n结构比吸能提升156.35%,压溃效率提升518.76%,相对于[90°]_n结构比吸能提升16.9%,压溃效率降低27.3%。      

复合材料/铝复合管轴向准静态及冲击压溃的吸能特性

用数值模拟方法,研究了方形和圆形截面的复合材料/铝复合管在轴向准静态及冲击压溃下的吸能特性,计算得到压溃力-位移曲线。通过将一组方形截面复合管在准静态压溃条件下的计算结果与文献的实验数据进行对比,以验证有限元模型和参数设置的正确性。在铝管的管厚、管长以及截面外周长相同,缠绕不同厚度的复合材料情况下,对比分析了方形和圆形截面复合管在准静态及冲击压溃条件下的轴向压溃吸能特性。结果表明,复合管的截面构型对其吸能效果影响很大,在轴向准静态压溃条件下,圆形截面复合管吸能能力要强于方形截面复合管;冲击压溃吸能量不但与结构自身吸能力有关,还受到外界冲击大小的影响。在设计复合材料层厚度时,需要控制复合管的刚度,避免回弹造成吸能量的降低。     

CFRP薄壁C型柱轴向压缩破坏机制及吸能特性

为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁C型柱轴向压缩破坏机制及吸能特性,制备了4种铺层方式、3种厚度组合共12种T700/MTM28 CFRP薄壁C型柱试件。考察C型柱低速轴向压缩过程中的失效模式及载荷变化,通过比较初始峰值载荷、平均压缩载荷、比吸能和载荷效率,分析铺层数及铺层角度对C型柱失效模式及吸能特性的影响。结果表明,纯0°铺层C型柱在轴压载荷作用下发生整体失稳,不具备实际意义上的能量吸收作用;0°/90°铺层、±45°铺层、45°/90°/-45°/0°铺层试件均发生了渐进式破坏,呈现出局部屈曲叠缩的失效模式。其中,45°/90°/-45°/0°铺层的C型柱比吸能随铺层数的增加而增加,具有更大的吸能设计与应用潜力。     

含不确定性参数的复合材料薄壁结构吸能特性评估方法研究

由于复合材料性能分散度大、加工精度较低,为复合材料薄壁吸能结构引入了不可忽略的不确定性因素,为此,提出了一种含不确定参数的复合材料薄壁结构吸能特性的评估方法并进行了算例研究。复合材料薄壁圆管是一种典型的吸能元件,圆管的壁厚和内径是对其吸能特性有显著影响的特征几何尺寸,考虑了这两个参数的不确定性,在准静态压溃的条件下评估了薄壁圆管的引发比应力和比吸能这两个关键吸能指标。首先,利用区间分布来描述壁厚和内径的不确定性,其次应用有限元方法建立区间内不确定参数和结构吸能特性指标间的二阶响应面函数,最后对响应面函数进行区间摄动从而确定吸能特性指标的分布区间。算例研究结果显示,与比吸能相比,引发比应力受壁厚和内径不确定性的影响更大。此外,相比于内径,壁厚的不确定性对吸能特性影响更显著,因此为获得稳定的结构吸能特性应尽量提高复合材料圆管壁厚的加工精度。     

圆形薄壁构件准静态径向压缩下的吸能特性分析

为探讨薄壁吸能构件径向压缩下的吸能防冲特性,以圆形薄壁构件为例,采用理论分析、数值模拟和实验研究方法,对构件径向压缩下的吸能防冲特性进行研究,得出以下主要结论:构件压缩过程中具有稳定的变形破坏模式和较为恒定的承载力。内径对载荷波动系数、冲程效率和总吸能影响较小,压溃峰值载荷、平均压溃载荷随内径增加而降低。构件压溃峰值载荷、平均压溃载荷和总吸能均随壁厚增加而增大,载荷波动系数和冲程效率随壁厚增加而降低。长度对载荷波动系数和冲程效率影响较小,构件压溃峰值载荷、平均压溃载荷和总吸能均随长度增加而增大。研究结果为圆形构件尺寸选取提供理论依据,为其它类型薄壁构件径向压缩吸能特性分析提供参考。     

诱导结构对泡沫铝填充薄壁方管轴向压溃特性影响的研究

建立了泡沫铝填充薄壁方管的有限元模型,利用试验对泡沫铝填充薄壁方管的有限元模型的准确性进行了验证。研究了诱导结构的类型和数量对泡沫铝填充薄壁方管的轴向压溃变形模式、初始峰值力、压溃力效率和能量吸收能力的影响,结果表明:设计诱导结构可以提高能量吸收能力、减小初始峰值力、增加压溃力效率,甚至可以改变压溃变形模式。沿薄壁方管的轴向方向合理地增加诱导结构的数量,可以进一步的减小初始峰值力、增加压溃力效率、提高结构的能量吸收能力。通过等级评价方法,确定沿薄壁方管的轴向方向设计4组诱导四角方孔可以使泡沫铝填充薄壁方管获得最佳的综合吸能特性。     

引发方式、铺层对纤维增强复合材料圆柱壳吸能特性影响的冲击试验研究

对作为吸能元件的纤维增强复合材料圆柱壳的吸能特性进行了试验研究。制备了不同铺层角度和不同引发方式的玻璃纤维/聚酯树脂基圆柱壳,通过对该圆柱壳进行动态试验,探求铺层方式和引发方式对该吸能元件吸能效果的影响,以及该复合材料层合壳体压溃过程的破坏机理。     

矿用防冲方形折纹薄壁构件吸能特性数值分析

为有效防治煤矿冲击地压,或在一定程度上减小冲击地压事故造成的损失,提出了一种矿用防冲方形折纹薄壁构件,构件防冲体现在构件被压溃过程中吸收冲击能和压溃空间给煤岩提供了一定的能量释放空间。采用ABAQUS有限元软件模拟了不同壁厚、轴向堆积不同模块个数的构件的吸能特性,并与常规方形薄壁进行了对比分析。结果表明:1方形折纹薄壁构件与常规方形薄壁构件相比有较低的压溃峰值载荷,有较高的总吸能和比吸能,防冲性优势明显。2减小折纹薄壁构件的壁厚和减小模块长度来增加构件轴向模块个数均能有效降低压溃峰值载荷,但同时也降低了总吸能和比吸能。根据模拟结果,选定了矿用防冲方形折纹薄壁构件尺寸,并进行了实验研究,证明了模拟的准确性。防冲构件与现有支架相结合使用,可使现有支架成为顶梁防冲支架、底梁防冲支架、两帮防冲支架、防冲液压支柱等。     

冲击载荷下多胞元薄壁结构的动态压溃行为研究

为了提高薄壁结构的动态承载能力和能量吸收特性,基于弯曲主导型和拉伸主导型两类能量吸收结构的优点,构建了多胞元薄壁结构模型。利用显式动力有限元方法,研究了不同冲击载荷下多胞元薄壁结构的动态压溃响应和比能量吸收能力。研究结果表明,除了冲击速度,多胞元薄壁结构的动态压溃行为还受到肋板间夹角和冲击角度的影响。在相同相对密度和冲击速度下,多胞元薄壁结构的动态承载能力明显高于空心薄壁圆管。随着肋板间夹角的增大,多胞元薄壁结构的动态承载特性和比能量吸收能力明显提高,冲击载荷效率也相应增加。需要指出的是,当肋板间夹角增大到45°时,比吸能变化不再明显,试件具有较好的冲击载荷一致性。     

引发角对碳纤维/环氧复合材料圆管件轴向压溃性能的影响

研究了碳纤维增强高韧环氧树脂5288复合材料薄壁圆管件的轴向压溃行为和引发角尺寸之间的关系.对15°,45°,60°引发角的相同尺寸试件分别进行轴向压溃试验,记录了试验过程中的结构载荷力-位移曲线,对照各组不同引发角的管形件轴向压溃过程的峰值压溃载荷、最小压溃载荷后发现,当引发角为60°时,结构的峰值压溃载荷最高,最小压溃载荷最低.对试验件失效后组织进行微观分析后发现,对应于不同引发角,由于接触状态不同,圆管件发生了不同方式的压溃失效,导致了结构吸能力-位移曲线的变化.     

圆弧刻槽薄壁圆管轴向压溃吸能特性数值研究

目的为了提高能量吸收效率,设置出一种合理的诱导结构,对吸能构件产生积极影响。方法薄壁圆管设计一种环向圆弧刻槽诱导结构,在不同长径比、径厚比和刻槽深度的条件下研究薄壁结构吸能特性。结果吸能量与圆管长径比和径厚比成反比,初始压溃载荷随刻槽深度增加而减小。结论在不同的条件下,刻槽结构能够有效降低初始载荷,并获得较为平稳的压溃载荷平台。     

复合材料波纹板准静态轴压性能试验及数值模拟

以[+45/-45]_(4s)和[0/+45/-45/0]_(2s)碳纤维增强复合材料波纹板为研究对象,通过准静态轴压试验获得其失效形貌及载荷-位移曲线;通过CT扫描分析其破坏机理,基于吸能特性评价指标进一步研究其吸能特性。针对[0/+45/-45/0]_(2s)波纹板,建立考虑层间模型的多层壳模型进行轴压仿真,通过对比失效形貌、载荷-位移曲线及吸能特性评价指标来验证有限元模型。试验结果表明:[+45/-45]_(4s)波纹板出现整体失稳现象,材料利用率较低导致其吸能特性较差,且试验获得的比吸能的离散系数大于15%,试验重复性较差。[0/+45/-45/0]_(2s)波纹板为典型的层束张开失效模式,材料利用率较高导致其吸能特性较好,吸能特性评价指标的离散系数均小于15%,具有良好的轴压稳定性与可重复性。在±45°纤维铺层中增加0°纤维铺层,可改变其轴压失效模式,并显著提升其轴压吸能特性。仿真结果表明:多层壳模型能较好地复现[0/+45/-45/0]_(2s)波纹板轴压过程及层束张开失效模式;同时仿真获得的比吸能比试验均值高2.27%,能较好地复现[0/+45/-45/0]_(2s)波纹板轴压吸能特性,从而验证了多层壳模型。     

直升机抗坠毁元件构形设计分析研究

为探究差异化的构形参数对复合材料波纹梁吸能性能影响,针对多种构形波纹梁,进行动态压溃试验,对试验现象分析及试验数据处理,给出了多种构形波纹梁的载荷-时间曲线和破坏模式。采用有限元软件ABAQUS模拟波纹梁的瞬态冲击过程,得到吸能特性参数比吸能(SEA)和平均载荷值等,并与试验结果对比,对比结果验证了数值模型的有效性。通过试验及数值分析结果讨论了波纹构形对波纹梁峰值载荷和吸能能力的影响,对不同构形波纹梁以及增加薄弱环节设计的吸能差异作出评估,为实际工程设计提供参考依据。结果表明,利用等截面剖面杆轴向压缩载荷作用下的临界应力方程将波纹梁梁高/波幅比、波长/波幅比设定在相应关系式时波纹梁结构表现出较为稳定的压溃过程,具有一定的应用价值;波纹腹板圆角R值除了对峰值载荷及平均载荷有影响,对波纹梁破坏模式改变也有一定关系,薄弱圆角r值能比较好的改善峰值载荷大小。     

编织复合材料圆管准静态轴向压缩吸能特性的试验研究

通过二维三向编织复合材料圆管的轴向准静态压缩试验, 分析了编织复合材料圆管的压缩破坏机理和吸能特性, 并探讨了编织参数对吸能特性的影响。试验中观察到4种破坏模式: 分瓣破坏、 局部屈曲、 块状断裂和突发破坏。在纤维体积分数相同的情况下, 随着编织层数的增加和编织角的减小, 圆管的吸能能力有所提高。二维三向编织复合材料圆管是一种较好的吸能材料, 具有较高的单位质量吸能特性。      

薄弱环节对复合材料波纹梁吸能能力的影响

薄弱环节设置是复合材料吸能结构的关键技术,良好的设计可以使复合材料结构产生稳定的渐进压溃,从而吸收较多的能量.基于波纹梁准静态轴向压溃实验结果,运用MSC/DYTRAN有限元软件建立了三组不同尺寸的碳纤维-环氧树脂波纹梁的有限元模型,在数值模拟结果与实验结果基本吻合的基础上,分析了不同薄弱环节设置对复合材料波纹梁峰值载荷、吸能能力的影响,并进一步比较了不同薄弱环节设置的波纹梁在以6.5m/s的速度碰撞刚性地面时的能量吸能能力.     

含概率不确定性的复合材料吸能结构优化设计方法研究

由于复合材料力学性能分散度较大、加工精度较低,复合材料薄壁吸能结构具有难以忽略的不确定性。为此,建立了考虑参数不确定性的复合材料薄壁吸能结构优化设计方法,旨在设计阶段识别参数的不确定性,并设计出具有最优吸能特性的薄壁吸能结构;首先,根据使用条件获取设计参数的范围,并利用中心组合实验设计确定设计参数的试验矩阵;然后,计算试验矩阵中每组设计参数吸能特性指标的平均值和标准差;接下来,分别确定不同复合材料薄壁结构设计参数组合与吸能特性指标的均值及标准差之间的响应面方程;最后,结合响应面方程和设计要求将其代入到优化后的数学表达式中,采用序列二次规划算法进行优化求解。以T700/3234复合材料薄壁圆管为研究对象,在规定特征尺寸范围内,分别对规定峰值载荷求比吸能最大,以及对规定峰值载荷求比吸能标准差最小问题,进行了优化求解,验证了所提方法的实用性。