泡沫铝填充薄壁铝合金多胞构件与单胞构件吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的吸能能力,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的数值仿真。对经典薄壁圆管试验及泡沫铝填充薄壁圆管试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟泡沫铝填充薄壁圆管在轴向冲击过程中的撞击力和变形发展。基于该模型对比研究了不同因素下泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的轴向吸能特性,分析了其破坏模式、吸能机理和两者吸能效率。结果表明:在轴向冲击荷载作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金的破坏模式为轴对称渐进折叠破坏模式,冲击力-位移曲线和变形模态图显示其变形过程分为3个阶段:弹性阶段、平台阶段和强化阶段。当冲击压缩距离为构件高度的80%时,7种不同参数下的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构的吸能效率明显高于7种单胞结构,吸收的能量E和比吸能SEA都提高了50%以上,是一种优秀的吸能构件,可广泛应用于防护工程中。     

泡沫铝填充薄壁铝合金方管轴向压缩性能的数值模拟

泡沫铝填充薄壁结构的应用日趋广泛,研究了泡沫铝填充薄壁铝合金方管准静态轴向压缩条件下的力学性能。实验选用铝合金方管作为面板,Al-Mg合金泡沫铝作为夹芯制备泡沫铝填充薄壁铝合金方管。结果表明泡沫铝层合方管与薄壁铝合金方管的变形模式相同,都为对称叠缩变形模式,而且层合方管产生的折叠数比薄壁铝合金方管多。填充泡沫铝后,层合方管承受压力的能力也大大提高。采用ABAQUS软件建立了薄壁铝合金方管的有限元模型进行数值模拟,并且与相应的实验结果作对比,结果表明数值模拟与实验结果基本吻合。     

开孔泡沫铝-环氧树脂复合夹芯板局压性能试验研究

对一种开孔泡沫铝-环氧树脂复合夹芯板进行了准静态局部压缩试验,研究了其破坏形态和典型荷载-位移曲线,并与传统蒙皮夹芯板进行了对比,分析了不同复合层厚度、不同压头类型和不同边界条件对局压刚度、极限承载力及吸能量等主要性能参数的影响。结果表明开孔泡沫铝/环氧树脂复合夹芯板在局部压力作用下表现了较好的整体性、稳定性和吸能性能,其典型荷载-位移曲线经历四个阶段:弹性阶段、局部损伤阶段、整体损伤阶段和冲切破坏阶段。泡沫铝-环氧树脂复合层能显著提高夹芯板力学性能,且随厚度增加有增强趋势,球柱形压头作用下的破坏形态和力学性能与圆柱形压头和方形压头有明显区别,简支边界条件下力学性能比固支时明显降低。与传统夹芯板相比,这种夹芯板的刚度、强度、吸能量和整体性都有较大提高。     

泡沫铝夹芯板抗冲击性能分析

试验设计了3块钢板夹泡沫铝夹芯板,厚度分别为50 mm、70 mm和100 mm。对每种厚度夹芯板进行七组不同落锤高度的冲击试验,测得了上、下面板变形值,记录了夹芯板的破坏情况。应用数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA进一步还原夹芯板冲击过程,导出了面板与芯材的吸能占比。基于假设的夹芯板理论模型,给出了平均冲击荷载、局部变形和整体变形最大值的估算公式。结果表明:当夹芯板尺寸和材料强度一定时,局部变形值与落锤高度的平方根成正比,整体变形最大值、平均冲击力均与落锤高度的平方根成线性关系。夹芯板的抗冲击性能主要依靠增大泡沫铝芯层的变形进行耗能,芯层越厚,泡沫铝吸能占比越大,局部变形越小,夹芯板受到的冲击力越大。     

高速冲击泡沫铝填充管的瞬态分析

泡沫铝具有减震和吸收冲击能量的良好特性。但由于泡沫铝自身强度较低,单独作为承载和吸能构件实用意义不大。将泡沫铝作为填充材料能充分发挥泡沫铝的优良性能。采用数值模拟方法研究低密度Duocel泡沫铝填充薄壁方钛管和圆钛管在30m/s的匀速冲击载荷作用下的瞬态吸能特性。提出柱壳比(R)作为比较不同截面形状的泡沫铝填充结构的依据。研究发现泡沫铝填充方钛管的比吸能为ES(F+P)A=0.438J;圆钛管的比吸能为EC(F+P)A=0.344J。泡沫铝填充方钛管的吸能效果好于圆钛管,前者是后者的1.273倍。在相互作用和影响下,泡沫铝柱和管的变形模式和力学性能都发生了较大的改变,被泡沫铝填充的方管的屈曲波长变短,圆管则与之相反。粘合后,泡沫铝柱和管具有类似的力—位移曲线和相似的力学性质。     

防撞击X型阻尼器及新型耗能减撞站房柱力学性能研究EI北大核心CSCD

针对易遭受撞击的站房结构柱等提出有效的防撞装置对结构安全运行至关重要,该文以此提出了一种新型耗能减撞站房柱,保障结构正常使用的同时达到最优耗能能力。采用LS-DYNA对新型耗能防撞设计的高铁站房结构柱进行防撞性能分析,并对其主要的耗能元件防撞击X型阻尼器和泡沫铝进行了研究。基于已有的经典试验进行数值模拟验证,包括钢板单向准静态加载试验、钢骨混凝土撞击试验和泡沫铝填充薄壁结构撞击试验。分析表明该文所建立的数值模型能够较好的模拟试验的撞击力和变形发展。以此建立防撞击X型阻尼器和新型耗能减撞站房柱的数值模型,从而优化单个防撞击X型阻尼器截面,使其耗能最好,并对比了不同因素下新型耗能减撞站房柱的吸能特性及加入泡沫铝后对新型耗能减撞站房柱的吸能影响。结果表明:在撞击荷载作用下,采用耗能最优防撞击X型阻尼器的新型耗能减撞站房柱中阻尼器将吸收97%的撞击能量,而内部结构柱中只有局部混凝土产生了裂缝;加泡沫铝的新型耗能减撞站房柱的吸能分布更加合理且吸能有较大的提升,但结构柱的塑性应变也会随之增加;整体而言,新型耗能减撞站房柱具有优良的吸能能力,保障了结构柱的安全。     

泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器吸能特性的试验研究

摘要：通过试验方法研究了泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器在准静态作用下的吸能特性。首先,进行了泡沫铝,薄壁金属管塑性变形缓冲器及泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的轴向压缩试验。然后,根据试验结果,对泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性进行了分析,并与独立的泡沫铝及薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性进行了比较。结果表明,泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性有了很大的提高。在吸收的能量一定时,泡沫铝填充结构能够减少吸能结构所需要的体积与质量。     

填充泡沫铝的多层铝管动态压溃吸能特性研究

采用数值模拟的方法研究和分析了无填充物的多层铝管结构的吸能特性,结果发现多层铝管相比单层铝管,不但具有较大的吸能量,而且还具有较高的比吸能率;在此基础上,设计了不同层数的多层管泡沫铝填充结构,研究发现泡沫铝不但受轴向压溃变形,同时也受到了铝管层之间的相互作用力使其在径向发生了变形;之后对多层管填充3种不同密度的泡沫铝,采用变参分析的方法研究了多层管层数和泡沫铝密度对整个结构吸能特性的影响;研究结果表明:填充泡沫铝的多层管,随着层数的增加,其比吸能率和吸能量也随之有所增加,随着泡沫铝密度的提高,比吸能率的提高量开始下降,但仍高于填充相同泡沫铝的单层管。     

泡沫填充多边形单锥管与双锥管斜向加载下耐撞性分析

锥形泡沫填充结构结合了泡沫填充结构与锥形结构的优势,具有优异的吸能性和抵抗失稳变形的能力。研究了具有不同横截面的泡沫填充多边形单锥管(FSPTTs)与泡沫填充多边形双锥管(FBPTTs)在四种冲击角度下的耐撞性。采用多准则评估方法(COPRAS)对不同横截面的泡沫填充单锥管与泡沫填充双锥管的综合耐撞性进行了评估。评估表明:综合考虑多种冲击角度时,圆形截面泡沫填充单锥管较其他截面泡沫填充单锥管具有更好的耐撞性;圆形截面泡沫填充双锥管较其他截面泡沫填充双锥管具有更好的耐撞性。最后,针对圆形截面泡沫填充单锥管与圆形截面泡沫填充双锥管,以最大比吸能和最小峰值力为目标,采用非支配遗传算法对这两种结构在四种冲击角度下进行了多目标优化。结果表明:当冲击角度从0°变化到10°时,两种结构的Pareto曲线变化不大,而当冲击角度从10°变化到30°时,冲击角度对Pareto曲线形状和位置有显著影响;在冲击角度为0°和10°时,圆形截面泡沫填充双锥管的耐撞性优于圆形截面泡沫填充单锥管,而在冲击角度为20°和30°时,圆形截面泡沫填充单锥管的耐撞性优于圆形截面泡沫填充双锥管。实际应用中,可以根据工程需要选择合适的结构。     

泡沫铝填充薄壁金属管结构冲击吸能特性研究

目的 为了研究静动态加载下泡沫铝填充薄壁金属管结构吸能特性随泡沫铝密度的变化规律。方法利用材料试验机对3种不同密度的泡沫铝填充薄壁金属管结构进行准静态压缩,利用Taylor–Hopkinson实验装置对相同结构进行动态压缩实验,基于电测和光测法获得结构的静动态压缩载荷位移曲线,对载荷位移曲线进行积分得到结构的静动态吸能特性。结果 准静态压缩下,随着泡沫铝密度的增加,泡沫铝填充薄壁管结构能量吸收能力近似成指数增加。动态压缩下,结构能量吸收能力随泡沫铝密度增加先保持不变后增加。结论 准静态压缩下,在薄壁金属管中添加泡沫铝能明显增加泡沫铝填充薄壁金属管结构能量吸收能力,但在动态压缩下,低密度泡沫铝的添加无益于增加结构的能量吸收能力,为增加薄壁金属管的吸能能力需要求泡沫铝的密度超过一定值。     

钢板夹泡沫铝组合板抗接触爆炸性能研究

鉴于泡沫铝材料优异的吸能特性和三明治型组合构件在强度、刚度上的优势,针对分层结构为钢板-泡沫铝芯层-钢板的100 mm厚抗爆组合板进行了装药量为1.0 kg TNT的接触爆炸试验,考察了组合板在接触爆炸条件下的变形及破坏情况,并对组合板的变形破坏过程进行了理论分析和数值模拟。研究表明,组合板承受接触爆炸荷载时,主要通过局部压缩变形和整体弯曲变形吸收耗散能量,上下面板与芯层间易发生剥离现象。钢板相同时适当增大泡沫铝芯层厚度,泡沫铝芯层相同时增加钢板厚度,均可减小组合板承受接触爆炸冲击荷载时产生的变形破坏,提高其抗爆性能。     

碳纤维复合材料-泡沫铝夹芯板的冲击响应

采用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了T700碳纤维复合材料面层-泡沫铝芯体的夹芯结构动力响应。利用激光测速装置、高速摄像仪和位移传感器记录了泡沫子弹的撞击速度、子弹撞击夹芯板全过程和夹芯板后面板中心点的位移时程曲线。研究了加载冲量和芯层相对密度对夹芯板冲击响应的影响,得到了碳纤维复合材料-泡沫铝夹芯板的变形与失效模式。同时,采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,研究了复合材料面板铺层方式、面层厚度、芯层厚度和相对密度以及泡沫铝子弹的长度、速度和相对密度等参数对夹芯板冲击响应的影响。     

泡沫铝填充多棱管的吸能分析

通过LS-DYNA模拟分析泡沫铝填充多棱管的准静态过程。以柱壳比（R）作为比较具有不同截面形状的泡沫铝填多棱管的依据。通过比吸能、比力和能量吸收率,实现泡沫铝填充多棱管吸能性能的定量化比较分析。研究发现在具有相同柱壳比的条件下,泡沫铝填充四棱管的比吸能最高;泡沫铝填充八棱管的能量吸收率最高（约78%）;四棱管的吸能量占泡沫铝填充四棱管总吸能量的比例最小（约57%）。不同的几何形状和结构对泡沫铝填充多棱管的吸能性能有着显著的影响。同时,对泡沫铝填充多棱管的变形模式和内在机制也做了初步的分析     

高速列车前端多胞吸能结构的耐撞性优化

为设计具有良好耐撞性能的高速列车前端多胞吸能结构,基于显式动力学有限元软件LS-DYNA,建立此吸能结构的有限元模型。通过台车碰撞试验验证了有限元模型的准确性,结合验证的有限元模型与全因子试验设计,构造了吸能结构的比吸能SEA和撞击平台力关于设计参数单元胞边长和壁厚的Kriging代理模型,并进行了误差分析,采用多目标粒子群优化算法,对多胞吸能结构的截面尺寸和厚度进行了优化设计。结果表明,壁厚比单元胞边长对多胞吸能结构耐撞性影响更显著,通过合理匹配壁厚和边长,能有效提高撞击平台力和比吸能。     

钢板夹泡沫铝组合板抗爆性能研究

鉴于泡沫铝材料优异的吸能特性和夹层结构在强度、刚度上的优势,提出了分层结构为钢板-泡沫铝芯层-钢板的抗爆组合板。对厚度为10 cm、7 cm和5 cm的组合板进行了5组不同装药量的爆炸试验,考察了各板在不同装药量爆炸条件下的变形及破坏情况,并对变形破坏过程进行了理论分析。研究表明:组合板承受爆炸冲击荷载时,通过局部压缩变形和整体弯曲变形吸收能量。钢板相同时,适当增大泡沫铝芯层厚度,增强面板与芯层间连接,可提高该组合板的抗爆性能,防止组合板发生剥离,减小其承受爆炸冲击荷载时产生的变形。     

新颖圆形多胞复合填充结构的耐撞性

提出一种新颖的圆形多胞复合填充结构,该结构采用蜂窝和泡沫两类材料的交错复合填充。采用实验验证与数值研究相结合的方法,系统地研究了蜂窝和泡沫材料在全填充、部分填充及交互填充结构中的耐撞性。研究结果表明,针对单一材料填充的多胞圆管,部分填充结构比全填充结构具有更好的耐撞性能,其中,环形蜂窝填充结构（H40）和中心泡沫填充结构（F01）具有更优异的能量吸收特性。针对双材料复合填充的多胞圆管,则是中心泡沫填充与环形蜂窝填充的复合结构（F01H40）具有最佳的耐撞吸能性。最后,进一步结合Kriging近似技术与粒子群数值优化方法,对复合填充结构进行多目标优化设计,探索其最优耐撞性与最优参数匹配。结果表明,环形蜂窝部分填充结构（H40）、中心泡沫填充与环形蜂窝填充的复合全填充结构（F01H40）具有最优的耐撞性能。     

泡沫铝填充管的研究进展

泡沫铝填充管是在一个或多个不同横截面形状的薄壁金属管内填充泡沫铝而形成的一种结构功能一体化材料。泡沫铝的填充不仅提高了薄壁金属管的轴向压缩性能和抗弯曲性能,也避免了泡沫铝本身强度不高的劣势。从泡沫铝填充管的制备、结构及性能方面综述了其研究现状,从泡沫铝单管、双管与多管填充的角度分析了结构对泡沫铝填充管压缩和弯曲性能的影响。单管填充泡沫铝改变了薄壁管压缩及弯曲的失效形式,提高了薄壁管的吸能性;双管填充泡沫铝的内管多数以同心管形式排列,在管内部所填充的泡沫铝支撑的基础上,内管进一步支撑起泡沫铝填充管的承载和吸能作用,其压缩及弯曲性能较单管填充更为突出;多管填充泡沫铝在双管基础上进行拓展,可以同心或并列排布,对薄壁管性能的提升各有不同,平行排列的多管结构能量吸收效率高于泡沫铝填充单管,但低于相应的薄壁空管结构。泡沫铝填充管的制备技术通常是分别制取泡沫铝和管材再进行填充,尽管过于单一且工艺复杂,但由于其具有优异的承载和吸能能力,仍然在交通运输、航空航天等领域极具应用潜力。     

仿平行叶脉次级肋板增强多胞管轴向压溃响应

受树叶平行叶脉启发，在多胞管(multicell tube, MT)外侧柱壳的内表面引入次级肋板构建新型仿生多胞管(bionic multicell tube, BMT),通过诱导改善薄壁结构变形模式提高能量吸收特性。通过3D打印技术制备试样开展准静态压缩试验，结合数值模拟研究了管壁厚度、冲击速度、次级肋板形态等因素对结构变形和能量吸收的影响，结果表明：1)采用倾斜次级肋板增强的BMT结构的平均压溃力和比吸能相比于MT提高约31%～59%和20%～35.2%;次级肋板的引入可诱导薄壁结构在±45°方向交错产生长度较长的塑性铰，薄壁结构弯曲变形能的提升是结构吸能特性增强的主要因素。2)BMT的次级肋板宽度小于1 mm时无法对外侧圆柱壳进行变形诱导，在10～70 m/s加载速度范围内BMT能量吸收特性随着冲击速度增大而增大。3)次级肋板的引入对MT中主级肋板和内侧圆管的能量吸收影响较小，但能够显著提高外侧圆管的吸能水平并降低其变形模式对加载速率的依赖性。     

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。     

石膏型渗流制备泡沫铝填充圆管压缩行为研究

采用石膏型渗流制备开孔泡沫铝并填充到薄壁圆管,制成泡沫铝夹心管.通过准静态压缩试验研究了泡沫铝夹心管的压缩行为.结果表明:采用石膏型渗流法制备的泡沫铝孔隙率在85％左右,其压缩变形阶段可分为弹性段、塑性平台段和致密化段;空心圆管的压缩行为与其本身的结构参数有关;泡沫铝夹心管的力学性能与吸能能力比空心圆管和泡沫铝有了一定...