矩形与X形组合蜂窝异面缓冲性能的研究

目的 为了研究矩形与X形组合蜂窝材料在异面冲击载荷下的缓冲吸能特性,建立矩形与X形组合蜂窝的有限元模型,分析在不同冲击条件下组合蜂窝结构的能量吸收、动态平台应力及其变形模式。方法 借助ANSYS/LS–DYNA软件建立可靠的基于单元阵列的异面缓冲性能有限元分析模型,基于该模型在不同结构参数和冲击速度下进行异面动态冲击仿真分析,将结果以图表等形式进行展示。结果 组合蜂窝结构的异面缓冲性能较矩形、X形蜂窝结构更为优异。当相对密度一定时,随着扩展角的增大,组合蜂窝结构的缓冲性能会有一定提升。扩展角为90°的组合蜂窝结构与扩展角为70°、50°和30°的组合蜂窝相比,其单位体积能量吸收值分别提高了3.77%、4.53%和26.95%。异面动态平台应力与冲击速度和结构参数之间,可用某一确定的曲线关系进行拟合。结论 矩形与X形蜂窝之间会产生较强的耦合效应,使组合蜂窝结构的接触载荷和总能量吸收值均大于两者之和;冲击速度对变形模式的影响较大,在冲击载荷下存在3种变形模式,但壁厚的改变对变形模式并未产生明显影响。当扩展角和冲击速度一定时,组合蜂窝异面动态平台应力与壁厚边长比呈二次曲线关系;给定扩展角和壁厚时,异面动态平台应力与冲击速度呈一次曲线关系。     

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。     

六边形蜂窝芯材异面冲击性能的有限元研究

建立了六边形蜂窝单元阵列的有限元模型,利用有限元分析软件分析研究了六边形金属蜂窝的异面冲击性能。当六边形蜂窝铝芯的各结构参数固定时,在不同的冲击速度下,研究了壁厚边长比对其异面冲击动态峰应力的影响规律。根据有限元模拟计算结果,给出了所用六边形蜂窝铝芯样品异面动态峰应力的计算公式。     

正方形自填充蜂窝结构异面平台应力的研究

目的 为了促进正方形自填充蜂窝的合理使用，研究其异面平台应力随冲击速度、壁厚边长比和自填充级数的变化规律。方法 利用ANSYS/LS-DYNA建立基于胞元阵列的正方形自填充蜂窝异面冲击分析的有限元模型。对自填充级数为0的正方形蜂窝进行异面压缩试验和相应的仿真分析，证明有限元模型的可靠性。基于简化的超折叠单元理论，建立蜂窝准静态平台应力的理论模型，并证明理论模型的可靠性。结果 正方形自填充蜂窝在大的壁厚边长比和冲击速度下拥有更高的动态平台应力;在自填充级数由0变为1时，动态平台应力增长率最大。结论 在其他因素不变的情况下，正方形自填充蜂窝的异面动态平台应力与冲击速度的平方呈线性关系，与壁厚边长比呈幂指函数关系，其增长率随自填充级数逐级递减。基于数值模拟结果，得到了不同自填充级数下正方形自填充蜂窝异面动态平台应力的经验公式。     

正方形金属蜂窝材料共面力学性能的仿真分析

建立了正方形金属蜂窝铝芯13×8的蜂窝单元阵列有限元分析模型,研究了正方形金属蜂窝在共面压缩载荷作用下的变形形态,并分析了速度在3～250m/s时,正方形金属蜂窝铝芯的共面力学性能与其结构参数和速度之间的关系.当结构参数固定时,正方形金属蜂窝铝芯的峰应力与速度的平方成线性关系,而当速度固定时,峰应力与壁厚边长比成幂指数关系.     

规则排列下凹五边形蜂窝阵列结构的异面缓冲性能研究

目的 研究主要结构参数对规则排列凹五边形蜂窝阵列结构异面缓冲性能的影响。方法 借助Ansys Workbench/LS-DYNA软件建立该蜂窝结构异面缓冲性能的有限元模型进行仿真模拟,研究不同凹陷角、壁厚边长比对其异面平台应力、变形模式和单位体积能量吸收的影响。结果 在不同的压缩速度下,凹五边形蜂窝阵列结构表现出不同的变形模式。相对密度一定时,凹陷角度在0<θ<63.435°时,该结构异面平台应力和单位体积吸收能量都随凹陷角的增大先增后减,且在25°～35°时平台应力最大,20°～30°时单位体积吸收能量最大;当达到最大凹陷角度θ=63.435°时平台应力和单位体积吸收能量都出现再次增大的现象。在凹陷角一定时,异面平台应力和单位体积吸收能随壁厚边长增大而增大,且呈指数函数关系。结论 基于有限元计算结果,总结出了规则排列的凹五边形蜂窝阵列结构在不同速度下的变形模式,以及凹陷角度、壁厚边长比对蜂窝异面平台应力、单位体积能量吸收的影响规律。     

工字梁型蜂窝芯材共面冲击性能的有限元模拟

目的研究双壁厚工字梁型金属蜂窝芯材的共面冲击性能。方法借助有限元软件Ansys/LSDYNA,建立工字梁型蜂窝芯材的有限元模型,并进行CAE分析。结果在不同冲击速度下,工字梁型蜂窝芯材表现出不同的变形模式。当工字梁型金属蜂窝芯材的其他结构参数固定时,其共面动态峰应力与冲击速度的平方成线性关系;当冲击速度一定时,其共面动态峰应力与壁厚边长比成幂指数关系。同时,拟合得到了工字梁型金属蜂窝芯材共面动态峰应力关于壁厚边长比和冲击速度的经验计算公式。结论工字梁型蜂窝具有优良的结构和吸能能力,研究工字梁型蜂窝的冲击性能具有重要的科学研究和工程应用价值。     

基于特征单元的三角形蜂窝异面压缩的有限元分析

目的 研究三角形蜂窝排列方式对三角形蜂窝异面动态压缩性能的影响。方法 借助Ansys/LS-DYNA建立基于特征单元的三角形蜂窝异面动态压缩的有限元分析模型,研究三角形蜂窝排列方式对三角形蜂窝异面压缩性能的影响。结果 将三角形蜂窝胞元阵列模型的有限元分析结果与理论值进行对比,证明三角形蜂窝的有限元模型是可靠的,随后将三角形胞元阵列模型与此研究中采用的特征单元模型计算结果进行对比,结果显示2种有限元计算模型的计算结果一致,证明此研究特征单元结构的选取和模型的建立是可靠的。结论 不同排列方式对三角形蜂窝在异面方向上的动态峰应力和单位体积能量吸收没有影响。     

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。     

斜方形蜂窝共面冲击力学行为

目的在不同速度的共面冲击载荷条件下,获取不同壁厚边长比的斜方形蜂窝芯材的动态性能力学参数。方法建立有限元分析模型以及简化的能量吸收模型,以评估斜方形蜂窝芯材共面方向上的力学性能。结果在冲击速度从低到高逐渐增大的过程中,局部坍塌、"V"字形过渡和"一"字形坍塌等变形模式先后出现,对其进行了详细的描述和展示。结论在不同壁厚边长比下,当其余结构参数固定时,动态峰应力与冲击速度的平方成线性关系;在不同冲击速度下,其余参数固定时,动态峰应力与壁厚边长比成幂指数关系。通过对数值结果的物理分析和讨论,提出了关于冲击速度与动态峰应力的关系的经验公式。     

Mean out-of-plane dynamic plateau stresses of hexagonal honeycomb cores under impact loadings

Double-walled hexagonal honeycomb cores (DHHCs) are important cushioning materials and their out-of-plane impact properties depend upon their configuration parameters and impact velocities. In this paper, the reliable finite element (FE) model by using ANSYS/LS-DYNA was designed to investigate the relations between configuration parameters of DHHCs and their out-of-plane dynamic plateau stresses at the impact velocities from 3 to 350 m/s. FE simulations demonstrate, when all configuration parameters are kept constant, mean out-of-plane dynamic plateau stresses are related to impact velocities by conic curves. For a given impact velocity, mean out-of-plane dynamic plateau stresses are related to the ratios between cell wall thickness and edge length and to edge length ratios by power laws. There are complicated relations between mean out-of-plane dynamic plateau stresses and expanding angels, which are discussed in detail. Many empirical expressions on mean out-of-plane dynamic plateau stresses of DHHCs are suggested.     

铝塑复合包装材料废弃物分选技术

目的 针对铝塑复合包装材料废弃物分离不够彻底,导致产品纯度不高、分离效率低、分离工艺不够完善等问题,采用绿色环保的铝塑活性介质进行铝塑分选技术研究,优化分离工艺参数.方法 选择天然固体酸柠檬酸溶液作为铝塑复合废料分选的分离溶剂,研究柠檬酸浓度、反应温度、液固比、搅拌速度和裁切尺寸等因素对铝塑复合材料分离效果的影响.并根据正交试验和极差分析优化出分离时间短、铝损失率较低的分离工艺.结果 在柠檬酸浓度为2 mol/L,温度为100℃,液固比为400 L/kg,搅拌速度为650 r/min,裁切尺寸为0.5 cm×0.5 cm的条件下,铝塑分离率达到100％,分离时间为65 min,铝的质量损失率为0.66％.结论 柠檬酸作为一种新型天然分离剂,对铝的腐蚀率低,此技术为铝塑复合材料废弃物回收再利用工业化生产提供了参考.     

蜂窝芯横向面内压缩平台应力研究

目的考虑到蜂窝芯斜向孔壁发生折叠的能量耗散机制,建立基于孔壁折叠的平台应力表达式。方法首先从理论上分析蜂窝芯变形单元水平固定塑性铰的能量耗散情况,然后对不同厚跨比条件下的蜂窝纸芯进行横向面内压缩试验,得到平台应力,最后将试验结果与Gibson&Ashby模型以及文中模型进行对比。结果蜂窝胞壁厚度与蜂窝胞元边长之比对平台应力有一定的影响,蜂窝芯面内压缩平台应力与胞壁厚度和蜂窝胞元边长之比的平方呈正比关系。由对比结果可知,文中模型理论值与平台应力试验值更加吻合。结论揭示了蜂窝芯横向面内压缩的能量耗散机制,平台应力表达式可用于多种材料的双壁厚蜂窝面内压缩力学性能的评估,具有一定的普适性。     

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.     

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。     

Experimental study of the out-of-plane dynamic compression of hexagonal honeycombs

The out-of-plane crushing behaviour of four types of aluminium hexagonal honeycombs was extensively investigated over a wide range of strain rates where each test was conducted at a constant compressive velocity. The effects of specimen dimensions, relative density, strain rate and honeycomb cell size on the mechanical properties of honeycombs were studied. It was demonstrated that the mean plateau force was linearly related to the specimen dimensions. However, the calculated plateau stress varied with specimen dimensions and a minimum of 9 × 9 cells should be used in order to represent the bulk properties of honeycombs. A large strength enhancement of honeycombs was observed when the relative density and strain rate increased. The tangent modulus also increased towards the end of the crushing process, especially for those honeycombs with small values of wall thickness to edge length ratio (t/l). Semi-empirical relations were obtained to describe the effects of relative density (t/l ratio) and strain rate on the plateau stress. The difference in deformation patterns for honeycombs between quasi-static and dynamic loading conditions was also discussed.