蜂窝金属夹芯板重复冲击动态响应研究

蜂窝金属及其夹芯结构是一种物理功能与结构一体化的新型轻质高强结构,广泛应用于结构轻量化与碰撞冲击防护领域。采用ABAQUS非线性有限元软件建立了蜂窝金属夹芯板(honeycomb sandwich panel,HSP)结构动态冲击数值仿真模型,数值仿真计算结果与文献实验结果吻合较好,验证了数值仿真模型的正确性。在此基础上,开展了重复冲击载荷作用下蜂窝金属夹芯板结构动态响应研究,得到了重复冲击力时程曲线、动态变形时程曲线、冲击力位移曲线以及最终挠度,分析了冲击能量、蜂窝壁厚以及上、下面板厚度分配对蜂窝金属夹芯板结构重复冲击动态响应的影响规律。研究结果表明,重复冲击载荷作用下蜂窝金属夹芯板结构上、下面板弯曲变形以及蜂窝芯层压缩变形逐渐积累,蜂窝芯层薄壁结构逐渐达到密实化,结构抗弯刚度逐渐上升,变形增量逐渐减小,结构整体能量吸收率下降。通过调节蜂窝壁厚和上、下面板厚度分配可以显著调节蜂窝金属夹芯板结构重复冲击动态响应与能量吸收性能。     

格栅-蜂窝混式芯体夹芯结构的低速冲击性能

针对传统复合材料夹芯结构抗冲击性能差的缺陷,提出一种格栅-蜂窝混式芯体,并对其低速冲击性能进行了研究。采用半球头式落锤冲击实验平台对碳纤维铝蜂窝夹芯结构的低速冲击响应进行研究;其次基于蜂窝非线性本构与完美界面假设,建立了碳纤维铝蜂窝夹芯板低速冲击仿真模型,实验与仿真结果吻合良好;最后对不同冲击位置和冲击角度下格栅-蜂窝混式芯体夹芯板的破坏模态及力学响应进行研究。结果表明:不同冲击位置及不同角度冲击下结构损伤模态及吸能模式存在巨大差异;格栅-蜂窝混式芯体可以显著提高结构的抗低速冲击性能,对于冲击损伤具有良好的限制作用。     

车用动力电池箱夹芯防护结构抗冲击性能仿真EI北大核心CSCD

针对车用动力电池箱底部冲击防护需求,提出三种具有不同芯层构型的夹芯板结构,并对其防护性能进行了数值仿真和量化分析对比。首先,建立了动力电池箱系统典型冲击工况有限元模型,仿真获得了采用均质底板的电池箱系统动态冲击响应并揭示了结构的变形吸能机理;其次,设计了以空心圆管、BRAS结构和叠层仿生鳞片为芯层的电池箱底部夹芯防护结构;进而,以电池轴向压缩量和最大轴向压缩比、防护效果参数和结构总吸能为评价指标,仿真分析了三种夹芯板的抗冲击防护性能,并与均质防护板进行了对比。最终结果表明,BRAS夹芯板具有最佳的抗冲击性能,可用于动力电池箱系统底部防护。     

折叠型瓦楞纸蜂窝芯及其缓冲性能研究

折叠型瓦楞纸蜂窝芯的静态压缩应力应变曲线经历线弹性、屈曲平台和密实化三阶段,用同样材质同样重量的七层瓦楞纸板分别制作成折叠型瓦楞纸蜂窝芯和多层瓦楞纸板,对其进行准静态压缩实验,结果表明折叠型瓦楞纸蜂窝芯的承压性能远远高于多层瓦楞纸板,但其回弹性能比多层瓦楞纸板差一些,因此折叠型瓦楞纸蜂窝芯的缓冲效率高于多层瓦楞纸板的缓冲效率,它特别适合于大型机电产品的缓冲包装.     

六角形纸蜂窝夹层板能量吸收研究进展

分析了纸蜂窝夹层板动静态压缩试验方法及不同结构参数的纸蜂窝夹层板动静态缓冲吸能特性。试验结果表明,平台应力是蜂窝胞壁厚跨比的幂指数函数。引入压缩密实化应变概念,构建了纸蜂窝材料压缩密实化应变评估方程。将纸蜂窝夹层板压缩应力应变曲线简化为线弹性区、平台区和密实化区,构建了纸蜂窝夹层板能量吸收曲线理论模型。基于纸蜂窝夹层板动静态压缩试验,可构建纸蜂窝夹层板二维能量吸收图,以便更好地袁征纸蜂窝夹层板的缓冲性能,并指出了该研究有待进一步完善之处。     

等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板的面外压缩性能EI北大核心CSCD

利用材料试验机对玻璃钢(FRP)夹芯板面外压缩性能进行实验测试与模拟研究。结果表明:夹芯板面外压缩变形可分为弹性变形与断裂两个阶段。蜂窝芯中part 2胞壁厚度t1与part 2高度h比值t1/h较大时,夹芯板以屈服方式变形;t1/h较小时,夹芯板以屈曲方式变形。蜂窝芯中part 2为夹芯板主要承载构件,蜂窝芯中part 1与part 3对part 2起到固支作用,面板对蜂窝芯起到固支作用。蜂窝芯中part 2胞壁厚度为夹芯板面外压缩抗压强度影响的主要因素,蜂窝芯胞壁边长影响次之,而蜂窝芯中part 1,part 3与面板厚度的影响较小。夹芯板总高度一定时,随着蜂窝芯层数增加,夹芯板抗压强度逐渐增大。     

明胶鸟弹撞击复合材料蜂窝夹芯板试验

开展明胶鸟弹撞击复合材料蜂窝夹芯板试验,研究夹芯结构在软体高速冲击下的损伤形式,分析相关因素对结构动态响应结果的影响。通过CT扫描对复合材料蜂窝夹芯板内部进行检测可知,面板出现分层、基体开裂、纤维断裂、凹陷、向胞内屈曲等损伤形式,蜂窝芯出现芯材压溃、与面板脱粘的损伤形式;分析复合材料蜂窝夹芯板后面板的动态变形过程及撞击中心处位移-时间数据可知,复合材料蜂窝夹芯板在撞击过程中出现由全局弯曲变形主导和局部变形主导的两种变形模式;通过对比不同工况下的复合材料蜂窝夹芯板损伤程度可知,复合材料蜂窝夹芯板损伤程度随鸟弹撞击速度的增加而增大;蜂窝芯高度为10 mm的复合材料蜂窝夹芯板较蜂窝芯高度为5 mm的复合材料蜂窝夹芯板的损伤程度大;初始动能较大的球形鸟弹较圆柱形鸟弹对复合材料蜂窝夹芯板造成的冲击损伤程度更大。      

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。     

铝蜂窝填砂复合夹芯结构的低速冲击响应试验研究

以防护结构设计为背景,提出一种铝蜂窝填砂复合夹芯结构。从理论角度对填砂蜂窝模型进行力学分析,通过落锤冲击试验,对不同芯层规格的试件在梯度能级冲击下的响应进行了对比,根据荷载、位移和挠度的变化规律和破坏模式得到以下结论:在低能级冲击下,蜂窝芯层较软的试件填砂后对于其结构强度和刚度的提升作用较为明显,同时,在铝蜂窝质量相同的前提下,优先选择蜂窝胞元较小、高度较低的蜂窝作为填砂复合夹芯结构的芯层,可提高结构比强(刚)度;在高能级冲击下,当芯层高度达到一定值时,变形挠度减小,破坏范围缩小为局部贯穿破坏,芯层填砂对结构抗冲击性能产生较为积极的影响。研究结果为铝蜂窝填砂复合夹芯结构在防护结构中的应用奠定了基础。     

复合材料夹芯板低速冲击后弯曲及横向静压特性

对低速冲击后的复合材料Nomex 蜂窝夹芯板进行了纯弯曲和准静态横向压缩实验, 用X 光技术、热揭层技术和外观检测等对板内的损伤进行测量, 分析了被冲击面在受压情况下蜂窝夹芯板的弯曲破坏特点, 对比了横向静压与低速冲击所造成的板内损伤, 讨论了不同横向压缩速度时接触力P-压入位移$h 的变化规律和损伤情况。结果表明: 低速冲击可使蜂窝夹芯板的弯曲强度大幅度降低; Nomex 蜂窝夹芯板对低速冲击不敏感。      

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。     

Deformation and impact energy absorption of cellular sandwich panels

The response and energy absorption capacity of cellular sandwich panels that comprises of silk-cotton wood skins and aluminum honeycomb core are studied under quasi-static and low velocity impact loading. Two types of sandwich panels were constructed. The Type-I sandwich panel contains the silk-cotton wood plates (face plates) with their grains oriented to the direction of loading axis and in the case of Type-II sandwich panel, the wood grains were oriented transverse to the loading axis. In both of the above cases, aluminum honeycomb core had its cell axis parallel to the loading direction. The macro-deformation behavior of these panels is studied under quasi-static loading and their energy absorption capacity quantified. A series of low velocity impact tests were conducted and the dynamic data are discussed. The results are then compared with those of quasi-static experiments. It is observed that the energy absorption capacity of cellular sandwich panels increases under dynamic loading when compared with the quasi-static loading conditions. The Type-I sandwich panels tested in this study are found to be the better impact energy absorbers for low velocity impact applications.     

Dynamic response of aluminum honeycomb sandwich panels under foam projectile impact

The dynamic response of honeycomb sandwich panels under aluminum foam projectile impact was investigated. The different configurations of panels were tested, and deformation/failure modes were obtained. Corresponding numerical simulations were also presented to investigate the energy absorption and deformation mechanism of sandwich panels. Results showed that the deformation/failure modes of sandwich panels were sensitive to the impact velocity and density of aluminum foam. When the panel was impacted by the aluminum foam projectile with the back mass of nylon, the “accelerating impact” stage can be produced and may lead to further compression and damage of the sandwich structures.     

层间配置对成层式铝蜂窝吸能特性的影响

为了考察层间配置对成层式铝蜂窝吸能特性的影响,设计了由4种类型铝蜂窝组成的多种成层式铝蜂窝结构,主要包括单层、双层、三层、四层的组合形式,分别对其进行准静力单轴压缩试验。结果表明:峰值力和平均平台力与面密度成正比,但随着蜂窝高度的增加,二者略微下降;等质量等尺寸的条件下,成层式蜂窝优于单层蜂窝;对比双层铝蜂窝结构发现,不等高成层结构更具缓冲吸能优势;对于同种蜂窝,随着叠层数的增加,MP值逐渐下降;根据压溃行为分析可知,当成层式铝蜂窝结构的层数大于等于4时,不能充分发挥其缓冲吸能作用。考虑到降低峰值力同时提高吸能水平,将上下层设置较硬型铝蜂窝、中间层设置较软型铝蜂窝的成层式结构可优先选择。     

泡沫铝夹层结构复合材料低速冲击性能

以泡沫铝为夹芯材料,玄武岩纤维(BF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)复合材料为面板,制备夹层结构复合材料。研究纤维类型、铺层结构和芯材厚度对泡沫铝夹层结构复合材料冲击性能和损伤模式的影响规律,并与铝蜂窝夹层结构复合材料性能进行对比分析。结果表明:BF/泡沫铝夹层结构比UHMWPE/泡沫铝夹层结构具有更大的冲击破坏载荷,但冲击位移和吸收能量较小。BF和UHMWPE两种纤维的分层混杂设计比叠加混杂具有更高的冲击破坏载荷和吸收能量。随着泡沫铝厚度的增加,夹层结构复合材料的冲击破坏载荷降低,破坏吸收能量增大。泡沫铝夹层结构比铝蜂窝夹层结构具有更高的冲击破坏载荷,但冲击破坏吸收能量较小;泡沫铝芯材以冲击部位的碎裂为主要失效形式,铝蜂窝芯材整体压缩破坏明显。     

成层式铝蜂窝夹芯结构冲击响应试验研究

以牺牲层设计为背景,提出一种成层式铝蜂窝夹芯结构。通过两种能级的落锤冲击试验,得到不同组合试件的局部冲击响应结果。根据能量吸收、荷载峰值、冲头位移和背板挠度的对比分析,得出以下结论:结构在相对较低能级(17~83J)的冲击作用下,除了永久塑性变形,也伴随着一定的弹性变形;同时,在芯层质量相同的前提下,可优先选择胞元较小、高度较低的蜂窝作为单层结构的芯层;全贯穿临界值应当介于83~119J之间,在设计牺牲层时,局部冲击的极限能量设计值应当低于该临界值;芯层的相对密度对抗局部冲击性能的影响较为明显;根据牺牲层的设计标准,在本文的局部冲击试验研究范围内,AB、BA、ABA型结构在综合指标上具有相对优势。研究结果可为成层式铝蜂窝夹芯结构在防护工程中的应用提供参考。     

Failure initiation and propagation characteristics of honeycomb sandwich composites

The energy absorbed during the failure of a variety of structural shapes is influenced by material, geometry and the failure mode. Failure initiation and propagation of the honeycomb sandwich under loading involves not only non-linear behavior of the constituent materials, but also complex interactions between various failure mechanisms. Therefore, there is a need for an improved understanding of the material characteristics and energy absorption modes to facilitate the design of sandwich performance. In the present study, failure initiation and propagation characteristics of sandwich beams and panels subjected to quasi-static and impact loadings were investigated. Experimental studies involved a series of penetration and perforation tests on 2D beam and 3D panel configurations using a truncated cone impactor with impact velocities up to 10 m/s. Preliminary tests were also performed on the sandwich beams subjected to the three-point bending. Load-carrying, energy-absorbing characteristics and failure mechanisms under quasi-static and impact loading were determined. Dominant deformation modes involved upper skin compression failure in the vicinity of the indenter, core crushing and lower skin tensile failure.     

Impact behavior and energy absorption of paper honeycomb sandwich panels

Dynamic cushioning tests were conducted by free drop and shock absorption principle. The effect of paper honeycomb structure factors on the impact behavior was analyzed. Results of many experiments show that the dynamic impact curve of paper honeycomb sandwich panel is concave and upward; the thickness and length of honeycomb cell-wall have a great effect on its cushioning properties; increasing the relative density of paper honeycomb can improve the energy absorption ability of the sandwich panels; the thickness of paper honeycomb core has an up and down fluctuant effect on the cushioning properties; with the increase of the thickness of paper honeycomb core, the effect dies down; flexible corrugated paperboard as liners can improve the compression resistance and cushioning properties of paper honeycombs. The research results can be used to optimize the structure design of paper honeycomb sandwich panel and material selection for packaging design.     

碳纤维铝蜂窝夹芯复合结构隔声性能研究

铝蜂窝夹芯复合结构在航空工业、高速列车及汽车车体中得到越来越多的应用,其隔声性能对车内及机舱噪声有重要影响。建立了碳纤维铝蜂窝夹芯复合结构有限单元模型,用有限单元法计算了结构在声载荷激励下的响应,并计算分析了复合结构的隔声性能,分析了碳纤维复合面板厚度、面板层数、铺设角度、铝蜂窝芯层的厚度、铝蜂窝壁厚对隔声性能的影响。研究结果表明,面板采用碳纤维复合结构时,在小于1 000 Hz的低频段,相同面板厚度的铝蜂窝复合结构隔声性能比全铝合金材料的铝蜂窝夹芯复合结构有所降低,而且在高频段会出现隔声量更低的隔声低谷;相较于铝合金面板,复合结构的面板采用碳纤维复合材料时,能够实现整体结构轻量化也提高复合结构的隔声性能;各层之间按相对90°铺设时复合结构隔声性能最好;随着面板厚度的增加复合结构隔声性能增加,面板层总厚度不变的情况下,单层面板或者过多的层数都会使复合结构隔声性能降低。