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。     

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。     

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。     

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%。     

负泊松比点阵结构填充薄壁管轴向压缩行为及吸能特性

薄壁填充结构具有轻量化、高比吸能的优点,被广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通等工程领域。负泊松比结构在受到冲击时力学性能会逐渐增强,因此本文基于双箭头型负泊松比点阵提出一种新型薄壁填充管吸能结构,通过准静态压缩实验和有限元数值模拟方法研究了新型填充管在压缩载荷作用下的变形失效模式与力学响应。建立了平均碰撞力的理论预测模型,并通过有限元分析验证了模型可靠性,在此基础上研究了负泊松比点阵结构的细观设计参数对填充管抗压缩性能的影响规律。结果表明,填充管在压缩载荷作用下的失效模式为局部屈曲失效,相比于单一薄壁管与点阵结构,填充管具有更好的抗压缩性能;通过参数分析明确了通过增加胞元杆件壁厚和下支撑杆夹角,能显著提高填充管抗压缩性能,这将为后续负泊松比点阵填充结构的抗冲击优化设计提供重要参考。     

泡沫铝填充碳纤维增强树脂复合材料薄壁管的压缩变形行为与吸能特性

将填加造孔剂法制备的泡沫铝物理嵌入碳纤维增强树脂(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)复合材料薄壁管中,从而获得泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的复合结构。针对CFRP薄壁管、泡沫铝和泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管分别开展准静态压缩试验测试其压缩和吸能性能,并在压缩过程中采用数字图像相关技术(Digital image correlation,DIC)同步分析其变形模式;进一步研究在不同环境温度下(25~150℃)泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的压缩与吸能性能及失效模式。结果表明:泡沫铝作为填充芯材改变了CFRP复合材料薄壁管的压缩变形行为,由单一CFRP复合材料薄壁管的散射开花失效转变为泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的纤维层断裂失效。同CFRP复合材料薄壁管相比,泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的应力波动显著减小。随环境温度的升高,CFRP复合材料薄壁管、泡沫铝和泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的压缩与吸能性能均不断降低,但泡沫铝与CFRP复合材料薄壁管之间的交互作用增强,泡沫铝对CFRP复合材料薄壁管的增强作用在高温下表现更为显著。      

SiCp/Al复合材料薄壁回转体变形的仿真分析

运用有限元仿真软件ABAQUS对体积分数为56%的SiCp/Al复合材料薄壁回转体在静载荷作用下的应力、变形及应变进行了仿真研究,研究了载荷施加位置、外径和壁厚对SiCp/Al复合材料圆筒薄壁件的应力、变形及应变的影响规律。结果表明:在其他条件一致的情况下,回转体的外径越小、壁厚越大、受力点距离施加全约束的一端越近,回转体受到外载荷引起的最大应力、最大变形及最大应变越小。薄壁回转体工件的壁厚对工件最大应力、最大变形及最大应变的影响最为显著。当壁厚增加到1mm以上时,最大应力、最大变形及最大应变的变化不明显。     

不同编织角碳纤维增强聚合物复合材料-Al方管的吸能特性

为了提高薄壁结构的比吸能,通过环形编制技术制备不同编织角度的碳纤维增强聚合物复合材料-铝（CFRP-Al）方管。对不同编织角度、管长和管厚的CFRP-Al方管进行准静态轴向压缩试验,研究CFRP复合材料编织角度对CFRP-Al方管变形模式和比吸能的影响。结果表明,CFRP复合材料可以降低薄壁管的柔度,从而阻止整体欧拉失稳变形模式;大编织角度CFRP复合材料可以有效承担因薄壁管折叠产生的横向拉力,从而阻止薄壁管折角撕裂;此外,随着编织角度增加,CFRP-Al方管的比吸能随之增大。      

碳纤维增强环氧树脂基复合材料轴管的低速冲击失效机制及剩余压缩性能

采用落锤冲击试验模拟低速冲击过程,对碳纤维增强环氧树脂基复合材料传动轴的轴管在不同能级冲击下的损伤行为以及冲击后的剩余压缩性能进行了研究;通过ABQUAS有限元分析软件和X射线断层扫描技术(CT）相结合的方法观察了复合材料轴管在受到低速冲击时的损伤形式,研究其内部损伤规律。结果表明,复合材料轴管的抗冲击形变能力随着冲击能量的增加先增强后减弱,在冲击能量为10 ~20 J之间出现最大值。CT无损检测结果显示复合材料轴管的失效形式包括分层损伤、树脂开裂和纤维破裂(断裂)。在低能量冲击时,复合材料轴管主要产生分层损伤和树脂的开裂,而纤维断裂损伤只出现在冲击位置,且随着冲击能量的增加纤维断裂现象愈加显著。有限元仿真结果显示复合材料轴管中的碳纤维在拉伸方向的失效明显小于压缩失效,压缩失效沿纤维排布方向扩散,拉伸失效沿轴向和横向呈十字扩散,轴向失效的程度大于横向失效的程度;而树脂的压缩失效沿轴向从冲击位置向横向扩散,扩散形状近似圆形,越靠近圆心失效越明显,拉伸失效范围呈十字,整体失效沿十字边缘扩散。      

PET瓶基于ABAQUS的轴压分析

通过试验和数值分析研究吹制PET瓶受轴向压缩载荷时的屈曲变形行为。基于ABAQUS有限元方法进行显式非线性动态分析,计算PET瓶轴压下的屈曲载荷,并分析其应力分布。用数值计算结果与实验结果进行对比分析,发现PET瓶屈曲载荷的数值解和实验结果基本吻合,为新型瓶的优化设计和屈曲载荷测试提供了一种便捷有效的解决方法。     

Performance analysis of fibre metal laminated thin conical frusta under axial compression

The crushing behaviour and energy absorption capacity of frustrated conical shells made-up of bare aluminium (AC) and E-glass fibre/epoxy resin composite overwrapped aluminium (CWAC) was studied under quasi-static axial compression condition. Using spinning process, the hollow frustrated conical specimens were fabricated with the help of wooden conical shaped mandrill with semi apical angles of 16° and 21°. Thin commercial aluminium sheets of average thickness 0.87 mm were obtained for making aluminium conical specimen. CWAC frusta were fabricated by wrapping glass fibre/epoxy resin over aluminium conical shell to form hybrid composite with required thickness by hand layup process. Quasi-static axial compression load was applied over top end of the specimen with cross head speed as 2 mm/min using Universal Testing Machine (UTM). From the experiment results, the load–deformation characteristics of different AC and CWAC frusta were investigated. Energy absorption capacities or crashworthiness and mode of collapse of all models of AC and CWAC are determined from load–deformation curve and the same was validated with finite element analysis package ABAQUS®.     

Axisymmetric compression test and hot working properties of alloys

Abstract

The paper investigates the use of the hot axisymmetric compression test for the determination of the hot working properties of alloys. Qualitative analysis shows that stress determinations from the test are subject to systematic errors. These arise from frictional effects and deformation heating. The errors are affected by the conditions of the test and the effects of these parameters have been investigated using a fully coupled finite element procedure. Specimen geometry, specimen volume, friction, temperature, strain rate, and strain have been investigated. Procedures outlining methods of error calculation for general testing conditions are given. Methods of using the data to correct stress–strain curves, to validate such curves and to optimise testing conditions are discussed.     

Elastic buckling analysis of 3-D trusses and frames with thin-walled members

 A finite element method is presented for the determination of the elastic buckling load of three-dimensional trusses and frames with rigid joints. The beam element stiffness matrix is constructed on the basis of the exact solution of the governing equations describing the coupled flexural-torsional buckling behaviour of a three-dimensional beam with an open thin-walled section in the framework of a small deformation theory. Large deformation effects are taken into account approximately through consideration of P−Δ effects. The structural stiffness matrix is obtained by an appropriate superposition of the various element stiffness matrices. The axial force distribution in the members is obtained iteratively for every value of the externally applied loading and the vanishing of the determinant of the structural stiffness matrix is the criterion used to numerically determine the elastic buckling load of the structure. The effect of initial member imperfections is also included in the formulation. Comparisons of accuracy and efficiency of the present exact finite element method against the conventional approximate finite element method are made. Cases where the axial force distribution determination can be done without iterations are also identified. The effect of neglecting the warping stiffness of some mono-symmetric sections is also investigated. Numerical examples involving simple and complex three-dimensional trusses and frames are presented to illustrate the method and demonstrate its merits. Received: 2 May 2000 / Accepted: 15 July 2002     

矿用扩径式吸能构件吸能防冲特性研究

为增强液压立柱的防冲性能,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,提出了一种与液压立柱结合使用的扩径式吸能构件。采用理论分析和试验研究方法,对构件吸能防冲特性进行研究,结果表明：轴向压缩下扩径式吸能构件具有非常好的稳定性和可重复性的变形破坏模式,且构件变形后向四周膨胀值仅为薄壁圆管厚度,几乎不占用其它空间。扩径式吸能构件压缩过程中具有较为理想的力-位移曲线。扩径式吸能构件冲程效率不受几何尺寸影响,扩径式防冲构件具有较小的载荷波动系数。理论推导得出了构件吸能防冲评价指标,并与试验结果具有较好吻合,为构件选取提供了理论依据。扩径式防冲构件是较为理想的吸能防冲构件。     

侧边边界条件对复合材料加筋板轴压载荷下屈曲和后屈曲性能的影响

为研究侧边边界条件对复合材料加筋板压缩稳定性能的影响,首先采用有限元软件对压缩载荷作用下的复合材料加筋板进行建模数值计算,得到加筋板在侧边简支和自由2种边界条件下的屈曲载荷和形式,然后采用工程计算方法对加筋板轴压承载能力进行了估算,参考计算结果,分别对侧边有支持和侧边自由2组加筋板进行轴向压缩试验,分析侧边边界条件对试验件的屈曲形式、屈曲载荷以及后屈曲破坏过程的影响。试验结果表明：侧边支持条件会影响加筋板的屈曲形式和破坏形式。对于侧边有支持的试验件,屈曲后整体变形较小,筋条的压缩断裂是主要的破坏形式;而侧边自由的试验件屈曲后会逐渐出现整体弯曲变形,变形引起的筋条脱粘和弯曲断裂则是主要的破坏形式,且筋条脱粘会显著降低结构的承载能力。有限元计算结果与试验结果较吻合,验证了有限元模型的合理性。采用工程计算方法对侧边有支持的加筋板承载能力进行估算具有较好的精度。     

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.     

Dynamic simulation and energy absorption of tapered thin-walled tubes under oblique impact loading

In real-world impact loading situations the structure could be subjected to both axial and off-axis loads. Tapered thin-walled rectangular tubes have been considered desirable impact energy absorbers due to their ability to withstand oblique impact loads as effectively as axial loads. Despite this, relatively few studies have been reported on the response of such structures under oblique loading. The aim of this paper is to compare the energy absorption response of straight and tapered thin-walled rectangular tubes under oblique impact loading, for variations in the load angle, impact velocity and tube dimensions. It is found that the mean load and energy absorption decrease significantly as the angle of applied load increases. Nevertheless, tapering a rectangular tube enhances its energy absorption capacity under oblique loading. The outcome of the study is design information for the use of straight and tapered thin-walled rectangular tubes as energy absorbers in applications where oblique impact loading is expected.     

汽车尾灯支架装配变形的数值模拟与验证

目的 深入研究汽车尾灯装配变形,建立可以精确预测尾灯装配变形的有限元方案。方法 通过数字图像相关法研究了尾灯紧固过程中钣金支架的变形情况,获得了支架上关键位置的变形规律。引入有限元仿真分析方法,建立了全工况有限元仿真分析模型,对尾灯装配的整个过程进行数值仿真。结果 获得了装配后钣金变形量的预测值,通过对3类尾灯的装配过程进行仿真分析,对比实际测量的钣金支架变形数据,验证了该模型能够较为精确地预测尾灯装配中的变形误差。结论 提出了尾灯装配定位基准与螺栓紧固点分离的解决方案,从设计上有效避免了新车型尾灯装配超差问题的产生。     

可动节点复合单元的基本原理及在一维问题中的应用

着重于开发一种以常规线性单元为基底,附加中间移动节点而构成的新型高精度的复合有限单元方法。移动节点复合单元法作为一种高精度有限单元法,通过调节中间可动节点的位置改变其单元内部的场分布,从而只需少量单元即可达到较高的计算精度。由于此种复合单元的中间移动节点的形函数采用计算机图形学常用的Bezier函数,故可简称为‘Bezier复合单元’(BCE)。应用此Bezier单元对具有解析解的一维受分布载荷作用的等截面杆问题和受集中载荷作用的变截面杆问题进行模拟,并与解析解及采用常规有限单元法的模拟结果进行对照和分析。