圆形蜂窝结构异面冲击性能研究

目的 为了分析圆形蜂窝芯材的缓冲特性,对圆形蜂窝芯材的异面冲击性能进行深入研究.方法 考虑到试验法的局限性,利用有限元仿真模拟的方法,研究不同排列方式下(规则和交错)壁厚和冲击速度对圆形蜂窝异面冲击性能的影响,软件选用Ansys/LS-DYNA.结果 将基于阵列和特征单元的有限元模型与理论值进行对比,两者显示了一致的吻合性,证明了模型的可靠性.结论 数据分析表明,圆形蜂窝的异面平均平台应力随着冲击速度和壁厚的增加而增加.在给定冲击速度下,圆形蜂窝异面比能量吸收能力与壁厚和排列方式有关.在单元结构参数一定的情况下,交错排列的圆形蜂窝比能量吸收能力大于规则排列的圆形蜂窝;随着壁厚的增加,圆形蜂窝异面能量吸收能力会逐步增加.     

金属蜂窝材料的面内冲击响应和能量吸收特性

利用显式动力有限元法对三角形蜂窝材料在面内冲击载荷下的动力响应和能量吸收特性进行了研究。具体讨论了相对密度、冲击速度以及冲击方向对蜂窝材料变形模式、平台应力和比能量吸收能力的影响。结果表明,除了胞元的微结构特征参数(例如壁长、壁厚以及扩张角等),蜂窝材料的动力响应特性还依赖于冲击速度和冲击方向。在相对密度和冲击速度不变的前提下,试件沿Y方向冲击时表现为更高的平台应力和更强的能量吸收能力。随着冲击速度的增加,惯性效应明显,蜂窝材料的平台应力和能量吸收能力对冲击方向更敏感。将为多胞材料动力学多目标优化设计提供新的设计思路。     

泡沫铝夹芯板压入和侵彻性能的实验研究

利用MTS和落锤试验机研究了由复合材料面板和闭孔泡沫铝芯层组成的夹芯板结构在压入和侵彻时的变形和失效行为,并通过引入无量纲参数——能量吸收效率因子,探讨了一些关键参数对夹芯板压入和侵彻性能以及能量吸收性能的影响,如冲击能量、面板厚度、芯层厚度及相对密度、压头/锤头形状和边界条件等。结果表明夹芯板的破坏主要集中在压头作用的局部区域内。夹芯板的能量吸收效率对其结构参数比较敏感,增加上层面板厚度、芯层厚度或芯层相对密度能够有效地提高夹芯板结构的能量吸收能力以及抵抗压入和侵彻的能力,而下层面板厚度的对夹心板抗侵彻性能的影响不明显。不同的压头/锤头形状和边界条件对泡沫铝夹芯板的压入和侵彻响应以及能量吸收性能影响明显。     

正多边形外接填充圆形蜂窝异面动态缓冲性能

目的 为了研究正多边形外接填充圆形蜂窝的缓冲性能,建立不同正多边形外接填充圆形蜂窝的冲击有限元模型,分析研究多边形填充对圆形蜂窝缓冲性能的影响.方法利用Ansys/LS-DYNA建立正三、四、五、六边形外接填充圆形蜂窝的有限元分析模型,用六水平等级法评价分析各有限元模型在异面方向不同冲击速度下的力学性能、变形模式和能量吸收特性.结果正多边形与圆形蜂窝产生了较强的耦合响应,使组合结构的接触载荷和总能量吸收值均大于两者单独冲击数值之和;正六边形外接填充圆形蜂窝结构的六水平等级评价均为A,优于其他组合类型,且在不同冲击速度下不同正多边形外接填充圆形蜂窝的评价结果大致相同;正六边形外接蜂窝结构在冲击载荷下存在3种变形模式,随冲击速度的变化而变化,蜂窝壁厚对其的影响较小.随着冲击速度和壁厚的增大,动态峰应力、密实化总能量吸收和比吸能均有一定程度的提升.结论在耦合效应和动态冲击载荷的综合作用下,正六边形外接填充圆形蜂窝结构的动态力学性能较其他3种结构更为优异;随着蜂窝壁厚和冲击速度的增加,正多边形外接填充圆形蜂窝结构的承载能力和吸能能力都得到增强.     

一种负泊松比正弦曲线蜂窝结构的面内冲击动力学分析

研究了一种全参数化的正弦曲线蜂窝结构,通过Pro/Engineer构建了其参数化模型,采用ABAQUS建立了正弦曲线蜂窝结构的有限元模型。研究了不同振幅、不同胞壁厚度的正弦曲线蜂窝结构在不同冲击速度下的面内动力学响应。研究表明,正弦曲线蜂窝结构的反作用力波动情况与其振幅以及冲击速度直接相关。振幅越小、蜂窝结构胞壁越厚,其反作用力波动越明显。速度越高,蜂窝结构的反作用力波动越明显。而振幅较大的正弦曲线蜂窝结构,在不同的速度下,其反作用力表现出了较好的稳定性。正弦曲线蜂窝结构固定端的平台应力主要与其厚度有直接关系,与冲击速度无关。通过对正弦曲线蜂窝结构的能量吸收情况分析表明,随着振幅的增加,其能量吸收能力相对下降,随着速度的提高,蜂窝结构能量吸收能力趋向于一致。结果表明,正弦曲线蜂窝结构的轻微拉胀效应可增强其平面内能量吸收能力,相对普通的常规正六边形蜂窝结构,具有更好的能量吸收效果。     

圆形蜂窝共面冲击力学性能

目的基于有限元模拟的方法,比较研究规则和交错排列的圆形蜂窝共面动态冲击力学性能。方法利用Ansys/LS-DYNA建立2种蜂窝的共面冲击分析有限元模型。结果借助于该模拟方法,分析得到在结构参数一致,冲击速度不同的情况下,规则排列的圆形蜂窝变形模式呈现3个阶段,即"X","V"和"一"字形,交错圆形蜂窝变形模式几乎相同,呈"一"字形。得出了2种排列方式的圆形蜂窝的变形模式转换速度与壁厚半径比的关系。根据有限元模拟结果,推导出了动态峰应力关于结构参数和冲击速度的经验公式。结论用有限元模拟的方法得到了2种排列方式的圆形蜂窝的共面冲击力学性能,为圆形蜂窝芯材的优化设计提供了参考依据。     

多层规则排列圆形铝蜂窝共面缓冲优化

目的在不同速度的共面冲击载荷条件下,实现多层规则排列圆形铝蜂窝缓冲性能的优化。方法建立有限元分析模型以得到缓冲力学参数,并通过简化的能量吸收模型来评估其缓冲性能。结果多层规则排列圆形铝蜂窝缓冲性能与动态峰应力和动态密实化应变有关,是由冲击速度、变形模式和相关结构参数共同决定的。结论通过数值结果分析,得到模型变形的临界速度、动态密实化应变和动态峰应力的经验公式,并详细地介绍了可行的缓冲优化方法。     

蜂窝铝的面内动态冲击有限元研究

目的研究双壁厚蜂窝铝的面内动态冲击力学行为。方法利用Ansys/LS-DYNA有限元软件,建立双壁厚蜂窝铝有限元模型,分析蜂窝铝壁厚和冲击速度对蜂窝铝面内变形模式和平台应力的影响。结果随着冲击速度的增大,在蜂窝铝的压缩方向上观测到3种变形模式,获得了变形模式转换的临界速度,并给出了临界速度与厚跨比的关系式。计算了不同冲击速度和厚跨比下蜂窝铝的平台应力。结论变形模式对平台应力有很大的影响,不同的变形模式下呈现不同的规律:准静态模式时,平台应力与冲击速度无关;过渡模式和冲击模式时,平台应力随着冲击速度v的增大而增大,分别与v 1.5和v2成线性关系。根据有限元结果,拟合得到了不同的变形模式下平台应力与冲击速度的经验公式。     

密度梯度蜂窝材料动力学性能研究

利用显式动力有限元方法数值研究了具有密度梯度六边形蜂窝材料的面内冲击动力学性能.根据功能梯度材料的概念,首先建立了具有密度梯度的蜂窝材料模型.基于此模型,具体讨论了密度梯度和冲击速度对六边形蜂窝材料变形模式和能量吸收性能的影响.研究结果表明,通过恰当地选择蜂窝材料的密度梯度,初始应力峰值明显减小,材料的能量吸收能力能够有效地得到控制.此结论为实现多胞材料动力学性能的多目标优化设计提供了新的设计思路.     

高温后钢管混凝土短柱落锤动态冲击试验研究

采用落锤冲击实验机进行了高温作用后钢管混凝土短柱抗冲击性能试验研究,通过试验研究试件所经历的最高温度、升降温全过程中轴压力水平、冲击速度、冲击能量和含钢率等参数对高温后钢管混凝土抗冲击性能的影响。试验量测了钢管混凝土应变、冲击力和压缩变形时程曲线,试验结果表明,试件所经历的最高温度、冲击速度、冲击能量和含钢率均对高温作用后钢管混凝土的动态力学性能有显著的影响,而升降温全过程中轴压力水平的影响较小。试件的轴向和径向残余变形随着试件所经历的最高温度、冲击能量、轴压比的增大而增大,随着含钢率的增大而减小。高温后钢管混凝土在冲击作用下产生了较大的压缩变形,延性有所下降,但仍能够保持很好的完整性,说明钢管混凝土在高温作用后有良好的抗冲击能力。     

The influence of cell micro-topology on the in-plane dynamic crushing of honeycombs

The influence of the cell micro-topology on the in-plane dynamic crushing of honeycombs is studied by means of explicit dynamic finite element simulation using ANSYS/LS-DYNA. Firstly, under the assumption that the edge length and thickness are the same, the dynamic properties of the honeycombs filled by cells with different shapes (equilateral triangular or quadratic cells) and micro-arrangements (regular or staggered arrangement) are numerically analyzed. The full-scale in-plane dynamic crushing of the specimen, as well as the micro-structure transformation during the deformation, is discussed. Based on these, the influence of the cell micro-arrangement on the energy absorption ability of the honeycombs is clarified. The results show that owing to the differences in the micro-topology, triangular or quadratic honeycombs display different local deformation properties during the crushing. The variation of the cell arrangement patterns changes the local dynamic evolution characteristic of stress waves. ‘>’ and ‘<’ mode local deformation bands form at the sides of the stagger-arranged honeycombs, which results in lateral compression shrinkage during the crushing. The plateau stresses also increase with the impact velocity by a square law. The empirical equations for honeycombs filled with different cells (equilateral triangular or quadratic cells) and micro-arrangements (regular or staggered arrangement) at high impact velocities are formulated in terms of impact velocity, and the cell geometrical (edge length and thickness) and topology (edge connectivity) parameters.     

米字形填充正方形蜂窝异面平台应力

目的 研究冲击速度和结构参数对米字形填充正方形蜂窝异面平台应力的影响规律。方法 利用ANSYS/LS-DYNA建立该蜂窝可靠的基于胞元阵列的异面冲击分析有限元模型;基于简化的超折叠单元理论推导该蜂窝的准静态平台应力理论公式,理论值与仿真值相吻合验证理论公式的正确性。对不同壁厚边长比的蜂窝,在不同冲击速度下进行异面冲击仿真分析,利用LS-PrePost软件处理得到相应的接触力-位移曲线,进一步处理得到变形模式和平台应力,并以图表的形式加以展示与分析。结果 不同冲击速度下结构参数固定的蜂窝表现出LS、MS和HS等3种不同的异面冲击变形模式,从LS模式转变到MS模式再到HS模式的临界速度分别约为20 m/s和150 m/s;壁厚边长比对变形模式的影响可忽略。结论 该蜂窝动态平台应力随冲击速度(或壁厚边长比)的增加而增大,且增长速率不断提高。当其他参数固定时,LS模式和MS模式下该蜂窝的动态平台应力与冲击速度呈二次函数关系,HS模式下动态平台应力与冲击速度的平方呈线性关系;动态平台应力与壁厚边长比呈幂函数关系。基于仿真计算结果,得到了该蜂窝动态平台应力的经验表达式。     

Synergistic energy absorption in the axial crush response of filled circular cell honeycombs

In the present investigation, the axial static crush response of circular cell, filled honeycombs is studied. Polycarbonate honeycombs with circular cells are used as the base material. Polyurethane, a soft elastomer is used as the filler material. Filled 3-cell, 7-cell and 19-cell honeycombs were subjected to uniaxial, quasi-static, out-of-plane compressive loading. The experimental results show a synergistic energy absorption event, leading to an amplification of crush energy absorption in the filled honeycombs due to a change in the deformation mode (in comparison against unfilled honeycombs). Moreover, it is seen that the initial failure is a stable collapse unlike the abrupt first failure seen in unfilled honeycombs. An explicit finite element solver is used to quantitatively understand the experimental results, thus validating its usefulness as an engineering design tool.     

六韧带手性蜂窝结构的动力学响应特性研究

利用显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA数值研究了六韧带手性蜂窝结构的面内冲击动力学特性。在保证圆环节点半径不变的前提下,通过改变韧带长度和胞元厚度,首先建立了六韧带手性蜂窝的有限元模型,具体讨论了冲击速度和胞元微结构参数对手性蜂窝材料的面内宏/微观变形行为、密实应变、动态平台应力和比能量吸收能力的影响。研究结果表明,随着冲击速度的增加,六韧带手性蜂窝结构表现为3种宏观变形模态：“> <”型模式、“过渡”模式和“I”型模式。在中、低速冲击载荷下,能够明显观察到拉胀材料在轴向压缩时独特的“颈缩”现象,其主要与韧带绕着圆环中心节点的旋转变形有关。通过引入无量纲“动态敏感因子”,还研究了六韧带手性蜂窝材料的面内动态冲击强化效应。     

Axial crushing of hollow and foam filled tubes: An overview

Herein, a detailed review of the past studies carried out on crushing and energy absorption behaviour of hollow and foam filled tubes under axial compression is presented. Importance of such investigation is discussed for understanding the research need and to develop suitable alternatives. The focus of review is the deformation mechanism and energy absorption of hollow circular and square tubes, foam filled circular and square tubes notably. Comprehensive review on the various deformation modes for these tubes under axial impact load and effect of foam filling is presented. The review includes the various parameters affecting the peak load and energy absorption. Although various other forms of energy absorbing materials and structures exist such as composites, multi-wall tubes and honeycombs, these are not within the scope of present review. This paper intends to provide assistance in design and development of empty and foam filled tubes as effective energy absorbers. Further, this paper provides the necessary information for designers to understand the deformation of such tubes.     

构型对正多边形蜂窝异面缓冲性能的影响

目的 利用有限元法研究应变率不敏感的双线性各向同性应变硬化正多边形（等边三角形、正方形、正六边形和正八边形）蜂窝的异面缓冲性能。方法 建立基于正多边形蜂窝特征单元的异面冲击分析有限元模型，提出最佳应变这一缓冲性能评价新指标，基于此重新定义各能量吸收评价指标，形成新缓冲性能评价方法。结果 以此获取不同相对密度的各正多边形蜂窝在不同冲击速度下的变形模式和应力-应变曲线，以及平均平台应力、比能量吸收和冲击力效率等评价指标值，并进行了分析。结论 给定相对密度下，正八边形蜂窝具有最大的异面平均平台应力；正多边形蜂窝的比能量吸收与冲击速度成二次关系；定密度的正六和八边形蜂窝的冲击力效率优于等边三角形和正方形蜂窝。     

规则排列圆形蜂窝共面对角线方向缓冲性能的研究

目的 研究冲击速度和结构参数对规则排列圆形蜂窝共面对角线方向缓冲性能的影响规律。方法 使用有限元分析软件ANSYS/LS−DYNA建立规则排列圆形蜂窝共面对角线方向动态冲击有限元模型,基于此模型进行参数化仿真模拟,得到不同冲击速度和结构参数下规则排列圆形蜂窝共面对角线方向的变形模式、密实化应变、平台应力和能量吸收特征,并以图表的形式呈现。结果 在共面对角线方向的不同冲击速度下,规则排列圆形蜂窝表现出不同的变形模式。密实化应变在低速和高速冲击下,只与壁厚半径比有关;在中速冲击下,密实化应变同时受冲击速度和壁厚半径比的影响。在给定壁厚半径比下,共面平台应力(或最佳单位体积能量吸收)与冲击速度的平方呈线性关系;在给定冲击速度下,共面平台应力(或最佳单位体积能量吸收)与壁厚半径比呈幂指函数关系。结论 并基于有限元计算结果,得到了动态密实化应变、平台应力和单位体积能量吸收的经验表达式。     

正方形蜂窝芯材共面冲击力学性能

目的研究正方形蜂窝芯材在共面冲击载荷作用下的力学行为。方法借助于有限元软件ANSYS/LSDYNA,建立了相应基于单元阵列的有限元模拟和分析方法。结果随着冲击速度的增加,正方形蜂窝表现为不同的变形模式,其冲击响应的力-位移曲线包含了具有明显不同特征的4个阶段,对于给定结构参数的正方形蜂窝样品,在不同冲击速度下会呈现出不同的变形模式。计算出了不同冲击速度下不同壁厚边长比的正方形蜂窝芯材的动态峰应力。结论正方形蜂窝芯材的动态峰应力,是其静态峰应力和因惯量引起的峰应力增量之和;静态峰应力与正方形蜂窝芯材的相对密度成正比,峰应力增量与冲击速度的平方成正比,而相对密度又取决于壁厚边长比。最后拟合得到了动态峰应力关于壁厚边长比和冲击速度的经验公式。