星形节点周期性蜂窝结构的面内动力学响应特性研究

利用显式动力有限元法数值研究了冲击载荷下星形节点周期性蜂窝结构的面内冲击动力学响应特性。在保证各胞元壁长不变的前提下,通过改变胞壁厚度、内凹箭头节点间夹角和韧带长度等微结构参数,首先建立了星形节点周期性蜂窝结构的有限元模型。在此基础上,讨论了冲击速度和微结构参数对星形蜂窝材料的宏/微观变形、密实应变和动态冲击强度的影响。结果表明,由于胞壁受膜力和弯矩的耦合作用,在中、低速冲击载荷下,试件表现出负泊松比材料在轴向压缩时的"颈缩"现象。基于能量效率法和一维冲击波理论,给出了星形蜂窝结构密实应变和动态平台应力的经验公式,以预测多胞材料的动态承载能力。该研究将为拉胀多胞材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供新的设计思路。     

内凹-反手性蜂窝结构的面内动态压溃性能研究

通过内凹六边形蜂窝与反手性蜂窝的结合得到一种内凹-反手性蜂窝(re-entrant anti-trichiral honeycomb,RATH)结构。利用显式动力有限元软件LS-DYNA对不同冲击速度和不同相对密度下内凹-反手性蜂窝的变形模式、抗冲击性能及拉胀性能进行了研究。结果表明,引入内凹结构可以显著增强中低速冲击时反手性蜂窝的局部“颈缩”现象,且在靠近内凹-反手性蜂窝的冲击端呈现出明显的“V形”变形带。与三边反手性蜂窝及传统蜂窝相比,内凹-反手性蜂窝的能量吸收性能更强,负泊松比效应更明显。基于一维冲击波理论,推导了内凹-反手性蜂窝的临界冲击速度和平台应力的经验公式。此外,讨论了冲击速度和胞壁厚度对平台应力及平台应变的影响。该研究将为混合变形机制拉胀蜂窝结构的设计提供新的思路。     

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。     

铝蜂窝夹层板低速冲击响应及损伤模式的参数化影响

以铝蜂窝夹层板为对象，通过低速落锤试验及包含面板、胶层及蜂窝的细节仿真模型，探究了蜂窝胞元直径、蜂窝壁厚、面板厚度及冲头半径参数影响下低速冲击响应曲线及损伤模式的变化情况，确定在试验工况下的3种损伤模式：芯层屈曲、芯层剪切及夹层板穿透，其中芯层剪切模式具有更好的吸能分布。结果表明：蜂窝胞元直径与蜂窝壁厚对冲击响应与损伤模式具有类似的影响，面板厚度增加可以较大程度地提升抗冲击性能，冲头半径的大小会显著影响损伤模式。在此基础上建立与上述参数相关的损伤模式极限载荷公式，绘制相应的损伤模式图，为铝蜂窝夹层板的抗冲击设计提供参考。     

负泊松比内凹环形蜂窝结构的冲击响应特性研究

为了降低最大峰值应力和维持良好的冲击载荷一致性,在内凹六边形蜂窝(CHH)的基础上,基于机械超材料的设计理念,提出了一种新型负泊松比内凹环形蜂窝(RCH)结构模型。利用显式动力有限元方法,研究了面内冲击载荷作用下胞元微结构对该内凹环形蜂窝材料的变形行为、动态冲击应力和能量吸收特性的影响。研究结果表明:除了冲击速度和相对密度,内凹环形蜂窝结构的冲击动力学响应还依赖于胞元微结构;在中低速冲击作用下,内凹环形蜂窝亦表现出明显的负泊松比效应;与传统内凹六边形蜂窝不同,在相同冲击速度下,内凹环形蜂窝的最大峰值应力明显降低,并且具有良好的冲击载荷一致性;基于一维冲击波理论,还给出了内凹环形蜂窝材料的动态平台应力经验公式,理论计算结果和有限元结果吻合较好。     

梯度铝蜂窝夹芯板的力学行为

梯度分层铝合金蜂窝板是一种有效的吸能结构,本工作在梯度铝蜂窝结构的基础上根据梯度率的概念,通过改变蜂窝芯层的胞壁长度,设计了4种质量相同、梯度率不同的铝蜂窝夹芯结构。通过准静态压缩实验,并结合非线性有限元模拟准静态及冲击态下梯度铝蜂窝夹芯结构的变形情况及其力学性能,分析对比了相同质量下梯度铝蜂窝夹芯结构在准静态下的变形模式以及冲击载荷下分层均质蜂窝结构和不同梯度率的分层梯度蜂窝结构的动态响应和能量吸收特性。结果表明:在准静态压缩过程中,铝蜂窝梯度夹芯板的变形具有明显的局部化特征,蜂窝芯的变形为低密度优先变形直至密实,层级之间的密实化应变差随芯层密度的增大而逐渐减小;在高速冲击下,梯度蜂窝板并非严格按照准静态过程中逐级变形直至密实,而是在锤头冲击惯性及芯层密度的相互作用下整体发生的线弹性变形、弹性屈曲、塑性坍塌及密实化;另外,在本工作所设计的梯度率中,当梯度率为γ₁=0.0276时,梯度蜂窝夹芯板的吸能性达到最好,相较于同等质量下的均质蜂窝夹芯板,能量吸收提高了10.63%。     

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。     

正弦曲边负泊松比蜂窝结构面内冲击性能研究

提出了一种引入正弦函数曲线的负泊松比蜂窝结构,通过改变振幅、胞壁厚度等微结构几何参数,建立了参数化的正弦曲线负泊松比蜂窝结构模型。研究了冲击速度和微结构几何参数对正弦曲线蜂窝结构面内冲击变形模式、动态响应和吸能特性的影响。研究表明:正弦曲线负泊松比蜂窝结构的面内冲击性能主要与其振幅、壁厚以及冲击速度有关。中低速冲击时,振幅越大,胞壁越厚,结构面内变形越均匀。随着冲击速度的提高,增大振幅、壁厚均可一定程度增加冲击端的平台应力。对结构吸能特性的分析表明,振幅较小的正弦曲线负泊松比蜂窝结构具有更强的能量吸收能力,相对于内凹六边形蜂窝结构,能够显著降低峰值冲击力。     

倾斜荷载下内凹三角形负泊松比材料的面内冲击动力学性能

倾斜荷载在汽车碰撞事故中无法避免,严重影响多胞材料的力学响应。以内凹三角形负泊松比材料为研究对象,通过显式动力有限元软件LS-DYNA具体分析了冲击倾角(0°~10°)与冲击速度(20~70 m/s)对内凹三角形负泊松比材料面内冲击的变形模态和动力响应的影响,并构造了完整的变形模式分类图。引入最佳承载角的概念,当冲击倾角β=4°时,诱发了稳定有序的变形模式,使得抵抗变形的形式主要以结构胞壁的压缩与弯曲为主,平台应力值与吸能值得到了较大的提升,进一步发挥了结构的抗承载能力,甚至超过了理想的轴向冲击工况。这一特征与六边形蜂窝结构有所不同,对汽车吸能构件的设计具有重要的指导意义。     

多弧段曲边内凹蜂窝可调泊松比结构的力学性能研究

该文提出一种多弧段曲边内凹可调泊松比新型胞元。通过调整弧角,可以设计得到正泊松比、零泊松比和负泊松比的胞元结构。利用能量法求得结构的等效泊松比与等效弹性模量解析表达式,所得结果与有限元结果吻合较好。基于提出的新型胞元构建多胞蜂窝结构,利用数值方法讨论了低速和高速冲击作用下,正泊松比、零泊松比和负泊松比结构的冲击变形失效行为与单位质量能量吸收率。研究发现：低速冲击时,三种泊松比(正/零/负)结构的局部变形不同;高速冲击时,惯性效应使局部变形集中在冲击端,三种泊松比(正/零/负)结构的胞元变形模式不同。不论低速还是高速冲击,负泊松比结构都表现出优异的吸能效果。随着壁厚的增加,结构的吸能效果显著增强。     

结构参数对CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板低速冲击性能的影响

针对碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）蒙皮-铝蜂窝夹层结构,使用半球头式落锤冲击试验平台进行了低速冲击载荷下蜂窝芯单元尺寸对夹层板冲击性能影响的试验探究,并基于渐进损伤模型、内聚力模型和三维Hashin失效准则,在有限元仿真软件ABAQUS中建立了含蒙皮、蜂窝芯、胶层的CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板精细化低速冲击仿真模型,仿真结果与试验结果吻合较好。利用该数值模型进一步探究了蜂窝芯高度、蒙皮厚度和蜂窝芯壁厚等结构参数对于蜂窝夹层板低速冲击吸能效果的影响。结果表明:增大铝蜂窝芯的单元边长,会减小蜂窝夹层板的刚度,提升夹层板的吸能效果;芯层高度对夹层板的刚度及抗低速冲击性能影响较小;增大蜂窝夹层板的蒙皮厚度,可以提高夹层板的刚度,但会降低夹层板的吸能效果;增大蜂窝芯的壁厚,可以提高夹层板的刚度和抗低速冲击性能。      

浮冰碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应研究EI北大核心CSCD

采用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA,结合混凝土冰材料数值模型,建立了楔形冰碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应数值仿真模型,得到了碰撞过程的冲击力时间曲线和冲击力位移曲线、蜂窝金属夹芯板的变形以及冲击能量分配情况,并开展了楔形冰-蜂窝金属夹芯板碰撞冲击试验验证。研究结果表明,楔形冰碰撞下蜂窝金属夹芯板上面板表现为局部凹陷与整体弯曲的耦合变形模式,下面板表现为整体弯曲变形模式,冲击能量转化为蜂窝金属夹芯板的变形能和楔形冰的回弹动能以及冰体破碎耗散能量,数值仿真与试验结果吻合较好,验证了数值计算模型的准确性。在此基础上,研究了浮冰碰撞冲击位置以及蜂窝芯层厚度对其动态响应及能量分配的影响规律。     

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...     

胞元缺失对六边形蜂窝共面缓冲性能的影响

目的研究胞元缺失的分布位置和大小对六边形蜂窝结构共面缓冲性能的影响。方法利用有限元分析软件Ansys/LS-DYNA建立六边形蜂窝在共面动态压缩载荷作用下可靠的动力学计算模型,动态压缩的速度在100 m/s以下。由计算结果进一步分析得到缓冲性能各评价指标。胞元缺失在样品中的分布位置根据其对称性有6种情形,针对单元缺失居于样品中央的情形,研究缺失大小对性能的影响。结果中低速冲击时,胞元缺失降低了结构的密实化应变值;高速冲击时,胞元缺失会增加六边形蜂窝结构的密实化应变。随着壁厚的增加,缺失位置对动态峰应力的影响先增大后减小。与完整六边形蜂窝相比,胞元缺失使得单位质量能量吸收随着应变的增加呈先大于后小于完整蜂窝单位质量能量的变化趋势,且随着冲击速度的增加,这种变化趋势越明显。在低速冲击下对于任一缺失类型,随着胞元缺失数目的增加,单位质量能量吸收明显减弱。结论相较于胞元缺失的分布位置,胞元缺失尺寸对六边形蜂窝共面缓冲性能的影响更大。     

动态冲击下峰窝材料的力学行为

运用理论分析和有限元数值分析两种方法,对六边形蜂窝材料单个胞体在动态冲击下的压缩变形情况进 行研究,发现对于规则蜂窝材料,其面内弹性性质将只取决于胞壁的厚度和边长的比率;同时还用有限元方法模拟了多 个胞体结构在动态冲击下的变形情况,对这类结构的能量吸收能力进行了研究。     

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。     

基于ANSYS的铝蜂窝夹芯板低速冲击仿真模拟研究

简要介绍了蜂窝夹芯板的结构及特点,利用ANSYS有限元模拟软件模拟分析了小球低速冲击对蜂窝铝板的损伤变形,在冲击条件参数不变的情况下,研究了蜂窝铝板结构参数(蜂窝芯边长、蜂窝芯壁厚、蒙皮板厚)对冲击变形以及吸收能量的影响。结果表明,冲击速度越快,能量吸收系数越高,蜂窝芯厚度、蒙皮板厚度增加和蜂窝芯边长减小均使蜂窝铝板耐冲击能力有所提升。     

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。     

负泊松比内凹蜂窝结构梯度设计与动态冲击响应EI北大核心CSCD

根据负泊松比内凹蜂窝结构的变形机理,提出了一种变截面内凹蜂窝结构构型,利用ABAQUS软件研究了三维结构的动力学特性,分析了变截面负泊松比蜂窝结构在准静态压缩时的变形模式,并进行了实验验证,实验结果与有限元吻合良好。讨论了在不同冲击速度下梯度变截面内凹蜂窝结构的能量吸收性能,结果表明,在中低速下双向负梯度的能量吸收效果优于其他3种结构。所得结果为研究负泊松比力学超结构在动态冲击作用下的能量吸收提供了参考。     

倾斜胞壁Nomex蜂窝芯压剪复合力学响应

成形具有一定曲率的夹层结构时,需要将蜂窝芯铣削成曲面形状,造成蜂窝胞壁呈一定倾角,进而降低蜂窝夹芯结构面外承载能力。为了定量化分析面外载荷作用下倾斜胞壁蜂窝芯的力学性能,建立了倾斜胞壁蜂窝芯面外压剪复合有限元模型,并通过设计专用Arcan夹具实现蜂窝芯的面外压剪复合加载,用于验证模型的有效性。对比仿真与实验结果,发现蜂窝芯压剪响应及胞壁变形模式吻合较好。利用验证的有限元模型对胞壁倾角范围为0°～40°的蜂窝芯在面外压剪复合载荷下的力学响应进行了研究,结果表明随着蜂窝胞壁倾角的增大,蜂窝芯面外承载能力逐渐降低;当胞壁倾斜角由0°增加到40°,初始应力峰值下降最大幅度为47.7%,平原阶段强度下降幅度为29%;进一步分析了倾斜胞壁蜂窝芯截面芯格尺寸与胞壁倾角的几何关系,将倾斜胞壁蜂窝芯等效为具有相同截面尺寸的垂直胞壁蜂窝芯,推导了倾斜胞壁蜂窝芯在面外压缩及剪切载荷作用下的坍塌强度,揭示了胞壁倾角对蜂窝芯坍塌强度影响机制。