简支曲梁结构的大变形及吸能分析

目的 通过对简支曲梁缓冲器的非线性大变形及能量吸收特性的理论研究,为其缓冲设计与应用提供理论参考。方法 基于Euler–Bernoulli梁理论,以曲梁的曲率半径及截面角为基本参数推导简支圆形曲梁大变形控制方程,考虑压板作用下曲梁的多种变形情况给出曲梁的大变形及变形能的解析表达,进而计算不同外力及初始安装角下缓冲器的变形情况及变形能,并与数值计算结果进行对比。结果 理论计算结果与数值解高度吻合,表明计算方法的可靠性,缓冲器的缓冲系数取决于曲梁材料、初始曲率半径及安装角度,与其数量无关;当初始安装角为 时,缓冲器的最小缓冲系数可取到6.12。结论 所讨论曲梁缓冲器具有明显的非线性大变形特性和良好的缓冲吸能特性,能够替代传统缓冲材料,方便地用于运输系统的缓冲设计中,给出了简支曲梁缓冲器的基本设计方法。     

混合介质缓冲器的动力学特性及缓冲效果研究

介绍一种新型的混合介质缓冲器,其中的混合介质由不可压缩的航空机油与可压缩的空心橡胶小球组成。当冲击发生时,液体将动压力瞬间传递到所有小球上,使它们同时参与变形,冲击能量可被大幅度吸收、损耗。若设计得当,这类缓冲器可具有卓越的缓冲性能。建立了混合介质缓冲器的动力学方程,利用MatLab得到该方程的数值解,并通过试验验证了动力学模型的准确性。理论分析了不同冲击作用下该系统的位移功率谱及混合介质缓冲器的各参数对缓冲效果的影响,对混合介质缓冲器的缓冲效果作出评价。     

一种高容量金属橡胶缓冲器研制

大兆瓦风力发电机组变桨系统出现机械损坏后将导致叶片失控,进而影响机组安全。可以在叶片的根部安装限位缓冲装置,利用橡胶变形和金属塑性变形吸收叶片旋转产生的巨大冲击能量,避免叶片自转扫到塔筒。结合ABAQUS仿真计算及落锤试验技术,介绍一种结构紧凑、免维护的高容量金属橡胶缓冲器的原理、设计计算及试验验证方法。仿真计算及落锤试验结果均表明该缓冲器的各项性能参数达到设计要求,缓冲容量超过9 kJ,能量吸收率超过70%。验证了特殊的金属薄壁框架和橡胶垫组合结构具有优良的吸能特性。     

蜂窝材料率相关本构模型及其在月球探测器中的应用研究

蜂窝材料是探测器缓冲装置中使用最多的缓冲介质之一,研究其力学特性对探测器缓冲器及上升器月面起飞稳定性设计具有重要意义。首先分析了蜂窝材料面内面外等效力学特性,在考虑蜂窝结构率相关特性的基础上,建立了蜂窝结构横观各向同性率相关本构模型;其次,基于有限元法编写了横观各向同性率相关本构模型用户子程序,并验证了其可靠性;最后,以四腿悬架式探测器为研究对象,研究了不同率敏感系数对探测器着陆过程的影响。结果表明：随着率相关系数的增加,缓冲器吸收的能量先增大再减小,当率相关系数为0.6时最大;探测器的最大冲击加速度一直增大,且当率相关系数较大时,最大冲击加速度增长速度较率相关系数较小时要大。     

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。     

磁力预紧缓冲器的力学特性及缓冲性能研究

在冲击作用下,传统预紧缓冲器能够为设备提供良好的缓冲效果,但是当外界冲击大于缓冲器预紧力并发生变形时,会产生大于预紧力的冲击力响应,从而影响缓冲性能。为降低预紧缓冲器的冲击力响应,提高缓冲性能,提出一种磁力预紧缓冲器。利用谐波平衡法对磁力预紧缓冲器的非线性微分方程求解,获得该系统的方程解;通过数值计算获得磁力预紧缓冲器的冲击响应规律,将磁力预紧缓冲器与传统预紧缓冲器的冲击响应进行对比分析。上述计算结果说明,在具有相同预紧力的情况下,磁力预紧缓冲器的冲击响应受到磁力预紧力和线性刚度的影响;与其它预紧缓冲器相比,通过选择合适线性刚度的磁力预紧缓冲器,传递力响应以及速度响应都能够明显地降低,而位移响应基本保持不变。利用跌落冲击机对原理样机进行冲击试验,试验结果与理论结果基本一致,验证理论计算结果的准确性。     

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。     

多孔材料缓冲吸能特性表征方法

分析了多孔材料缓冲吸能机理，综述了多孔缓冲材料吸能特性的几种表征方法：缓冲曲线、缓冲系数、Janssen因子、Rusch曲线、能量吸收率曲线和能量吸收图，并分析了各种表征方法的优缺点。能量吸收图汇集了应变率和材料结构特征等信息，且能够模型化，对于不同密度多孔材料吸能特性的表征具有一定的普适性。     

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.     

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。     

变幅多次冲击对蜂窝纸板缓冲特性影响

目的研究了蜂窝纸板在面外变幅多次冲击下的缓冲特性,为蜂窝纸板的运输包装设计提供参考。方法对蜂窝纸板进行不同强度类型的多次冲击,以模拟运输过程中其经历的冲击与跌落,再通过进行准静态压缩试验来评估其缓冲性能的变化情况。结果多次冲击后蜂窝的剩余结构产生了2个明显的变形情况:具有垂直胞壁的未压溃部分和由于冲击累积而导致褶皱的压溃部分;发现冲击强度由低到高比由高到低对蜂窝结构应力-应变、缓冲系数和能量吸收曲线造成的影响更为明显,且影响程度随着高度种类的增多而增加。结论多次冲击会对蜂窝纸板的缓冲性能产生不利影响,且影响的程度会受到冲击顺序的影响,因此,考虑冲击的类型对于缓冲包装来说具有十分重要的意义。     

自然弯扭梁的耦合振动分析

以空间曲梁理论为基础对具有一般横截面形状自然弯扭梁的耦合振动特性进行了研究,分析中包括了转动惯量、横向剪切变形以及和扭转有关的翘曲对振动的影响.通过对数学计算软件MATHEMATICA的精确运用可以得到该梁振型的解析表达式,精确的固有频率则可用搜索的方法来确定.为了证明理论的有效性,对两端固支椭圆截面曲梁的固有频率和振型进行了求解,并把数值计算结果同PATRAN梁单元的有限元结果进行了比较.     

复合材料/铝复合管轴向准静态及冲击压溃的吸能特性

用数值模拟方法,研究了方形和圆形截面的复合材料/铝复合管在轴向准静态及冲击压溃下的吸能特性,计算得到压溃力-位移曲线。通过将一组方形截面复合管在准静态压溃条件下的计算结果与文献的实验数据进行对比,以验证有限元模型和参数设置的正确性。在铝管的管厚、管长以及截面外周长相同,缠绕不同厚度的复合材料情况下,对比分析了方形和圆形截面复合管在准静态及冲击压溃条件下的轴向压溃吸能特性。结果表明,复合管的截面构型对其吸能效果影响很大,在轴向准静态压溃条件下,圆形截面复合管吸能能力要强于方形截面复合管;冲击压溃吸能量不但与结构自身吸能力有关,还受到外界冲击大小的影响。在设计复合材料层厚度时,需要控制复合管的刚度,避免回弹造成吸能量的降低。     

连续侧向冲击作用下钢筋混凝土管动力响应试验研究

为了揭示钢筋混凝土管在连续侧向冲击荷载作用下的破坏机理,完成了6个钢筋混凝土管的横向冲击测试,考虑了不同落锤高度、冲击次数以及简支、固支两种约束形式对钢筋混凝土管侧向冲击动力响应的影响。提出了冲击力和跨中变形的预测公式并采用试验数据进行了拟合,得到了不同冲击速度、冲击次数对管道冲击力峰值和跨中位移的变化规律。采用吸能系数来量化评价管道承受侧向撞击时的吸能能力。结果表明,固支约束管道变形破坏显著好于简支约束试件,承受多次侧向撞击后,吸能系数增大,抗冲击变形能力明显下降。     

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。     

X-PLY超强瓦楞纸板动态缓冲特性的试验研究

基于跌落冲击试验,研究X-PLY(A)、X-PLY(B)两种超强瓦楞纸板的动态缓冲性能,获得了动态缓冲特性曲线的经验公式及其特征系数,为X-PLY超强瓦楞纸板在缓冲包装中的推广应用提供了基本数据.结果表明,X-PLY超强瓦楞纸板的动态缓冲特性曲线呈凹谷状,开口向上,只有一个极小值点,冲击加速度波形近似于半正弦波,具有优良的动态缓冲特性,而且X-PLY(A)超强瓦楞纸板的动态缓冲性能比X-PLY(B)超强瓦楞纸板更好.     

吸能材料缓冲性能评价方法综述

目的 进一步科学评价吸能材料缓冲性能,以促进吸能材料的研究与推广应用。方法在对常见吸能材料进行分类的基础上,全面调查吸能材料缓冲性能测试方法,系统分析缓冲性能数据表征及处理方法。结果 缓冲性能测试方法主要借助压缩试验与冲击试验2类,其中压缩试验又可分为静态压缩试验与动态压缩试验;缓冲性能数据表征及处理方法主要有缓冲曲线法、能量吸收率曲线法、能量吸收图法、Janssen因子法与Rusch曲线法5种类型。能量吸收图法因能够同时汇集不同密度、应变率条件下材料吸能特性与缓冲效果,反映材料最佳吸能点,在使用过程中更具广泛性。结论 推荐采用能量吸收图来表征吸能材料的缓冲吸能特性。     

微椭圆形截面斜拉索临界雷诺数区气动特性试验研究

为了研究微椭圆形截面斜拉索临界雷诺数区的气动特性,以标准圆形截面斜拉索模型和微椭圆形截面斜拉索模型为研究对象,开展了考虑截面变形和风攻角变化的风洞试验,得到了不同情况下雷诺数对模型气动力系数的影响规律,同时通过对升力时程和升力频谱分析,得到了临界雷诺数及附近区域的标准圆形截面和微椭圆形截面模型尾流旋涡脱落的变化。结果表明:微椭圆形截面模型在雷诺数亚临界区时,升力系数基本不受雷诺数的影响;在临界区时,升力系数随雷诺数逐渐增大;风攻角0°~50°时,微椭圆形截面模型升力系数最大值对应的雷诺数随风攻角同步增大;微椭圆形截面模型的升力时程在TrBL0向TrBL1阶段和TrBL1向TrBL2阶段过渡中会出现双稳态现象;微椭圆形截面变形会影响斜拉索尾流区旋涡脱落情况,进而影响不同雷诺数下的St数值变化。     

EPE泡沫填充圆形纸蜂窝异面缓冲性能的试验研究

目的为了研究EPE泡沫填充对圆形纸蜂窝异面缓冲性能的影响,开展相关试验研究。方法对2种排列方式(规则/交错)以及不同填充形式(未填充、全填充、5种部分填充方式)的EPE泡沫填充圆形纸蜂窝结构,进行异面准静态和动态压缩试验,研究其异面变形模式和吸能特性,比较不同排列方式和泡沫填充对其异面缓冲性能的影响。结果静态压缩时,与未填充蜂窝结构相比,EPE填充使交错排列的平均平台应力和单位体积能量吸收分别增长了10.1%和8.9%,规则排列分别增长了7.1%和7.5%。结论 EPE填充使圆形纸蜂窝所承受的最大静应力增大,且交错排列时增长较明显;相同填充率下,填充方式对圆形纸蜂窝异面静态压缩的缓冲性能影响不大。动态压缩时,排列方式和泡沫填充仅对大载荷下圆形纸蜂窝的动态缓冲性能影响明显。EPE填充使圆形纸蜂窝异面缓冲性能得到改善,且交错排列方式优于规则排列。     

摩擦系数对不同截面纯锆单道次ECAP变形影响的有限元模拟与实验验证

利用商业有限元软件Abaqus模拟不同截面形状纯锆试样在不同摩擦系数条件下单道次等通道转角挤压变形。模拟结果表明,摩擦系数对挤压载荷有明显影响,随着摩擦系数的增大,截面形状对挤压载荷的影响越来越小。同时发现,随着摩擦系数的增大,Z面等效应变分布均呈减小趋势,且圆形试样减小幅度大于方形试样,说明摩擦及圆形截面有助于工业纯锆的均匀变形;对X面的等效应变分布分析发现,摩擦系数对圆形试样X面等效应变分布影响不大,方形试样X面变形均匀性随摩擦系数的增大而减小。考虑到摩擦会导致挤压力过大,因此在挤压过程中应适当减小摩擦系数,并选择圆形截面试样。