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。     

多胞薄壁铝合金方管载荷特性与多目标优化研究

目的 通过引入边长系数γ,得到构型不同的W型和C型多胞薄壁方管结构,改善多胞薄壁方管的吸能效率。方法 本文利用实验和数值方法对2种类型方管进行研究,材料选用6060T4铝合金,深入分析边长系数γ和壁厚t对结构的载荷特性、能量吸收及变形模式的影响。然后采用非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm, NSGA-Ⅱ)求解,针对结构的峰值载荷(Pc)和比吸能(Sa)进行多目标优化。结果 数值仿真所得载荷曲线与实验结果一致,折叠波数均为7个,边长系数γ对2类结构的载荷和变形有显著影响。结论 本文所得结果为改善多胞薄壁方管结构的缓冲吸能及冲击防护提供了数据支持。     

新型CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性研究EI北大核心CSCD

点阵夹芯结构因其优异的力学性能、出色的能量吸收能力、独特的功能性,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而,传统点阵夹芯结构在面外压缩载荷下存在应力分布不均匀、节点应力集中等缺点。为了解决上述问题,该研究基于体心立方结构(body-centered cubic,BCC)提出了一种新型的余弦函数单元基(cosine function cell-base,CFCB)点阵结构。为了研究CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性,制备了CFCB点阵夹芯结构,开展了准静态压溃试验,并与BCC点阵夹芯结构的试验结果进行对比。结果表明,CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下的承载与能量吸收能力明显优于BCC点阵夹芯结构。随后,基于有限元模型,系统揭示了芯子单胞直径、幅值、周期长度等胞元参数及厚度方向上的单胞层数对CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下吸能特性的影响。相关研究成果有望为新型CFCB点阵夹芯结构设计提供参考。     

仿平行叶脉次级肋板增强多胞管轴向压溃响应

受树叶平行叶脉启发,在多胞管(multicell tube, MT)外侧柱壳的内表面引入次级肋板构建新型仿生多胞管(bionic multicell tube, BMT),通过诱导改善薄壁结构变形模式提高能量吸收特性。通过3D打印技术制备试样开展准静态压缩试验,结合数值模拟研究了管壁厚度、冲击速度、次级肋板形态等因素对结构变形和能量吸收的影响,结果表明：1)采用倾斜次级肋板增强的BMT结构的平均压溃力和比吸能相比于MT提高约31%～59%和20%～35.2%;次级肋板的引入可诱导薄壁结构在±45°方向交错产生长度较长的塑性铰,薄壁结构弯曲变形能的提升是结构吸能特性增强的主要因素。2)BMT的次级肋板宽度小于1 mm时无法对外侧圆柱壳进行变形诱导,在10～70 m/s加载速度范围内BMT能量吸收特性随着冲击速度增大而增大。3)次级肋板的引入对MT中主级肋板和内侧圆管的能量吸收影响较小,但能够显著提高外侧圆管的吸能水平并降低其变形模式对加载速率的依赖性。     

基于ADINA的轴向冲击载荷下薄壁方管屈曲分析

根据屈曲分析的有限元基本理论并基于有限元分析软件ADINA对轴向冲击载荷下薄壁方管进行动力屈曲分析。ADINA的动力屈曲有限元分析分为前处理、求解和后处理三个部分。前处理包括设置单元属性、创建模型、网格划分、定义接触、定义初始条件与约束和设定求解时间。利用ADINA软件进行前处理文件输出提交求解。使用ADINA-Processing对速度进行刷新、演示模拟动画过程并查看分析结果。分析结果表明:基于ADINA对轴向冲击载荷作用下薄壁方管动力屈曲特性分析结果与实验结论相符,该成果对研究冲击载荷作用下薄壁方管的动力屈曲特性具有一定的理论与指导意义。     

锥形多胞薄壁管斜向冲击吸能特性仿真研究

采用有限元仿真,以比能量吸收和冲击峰值力为评价指标,研究了一种轴对称锥形多胞薄壁方管在不同冲击角度下的失效模式和吸能特性,分析了包括长径比、壁厚和锥度在内的结构参数对其斜向冲击吸能特性的影响,并拟合出可用于斜向冲击下比能量吸收和冲击峰值力预测的解析公式。结果表明,锥形多胞薄壁管在斜向冲击下的吸能特性明显优于其他类似薄壁吸能结构;结构参数对其吸能特性影响明显;拟合得到的解析公式为此类结构优化设计提供了参考和依据,并有利于工程实际应用。     

扁平管膨胀性能仿真及实验研究EI北大核心CSCD

分离结构是航天运载器上十分关键的部位,膨胀管分离装置作为一种清洁的分离结构,被广泛应用于航天运载器的分离部位。使用LS-DYNA中的流固耦合算法对扁平管组件(扁平管、填充物、炸药索)进行了有限元仿真分析,并进行了实验验证,仿真与实验结果吻合较好。在此基础上,分别改变扁平管的壁厚,填充物的密度、弹性模量,通过有限元仿真分析了扁平管上两个特征点的膨胀速度、膨胀位移及扁平管动能的变化规律,获得各参数对于扁平管膨胀变形的影响,对于设计扁平管组件具有很大的指导意义。     

爆炸载荷下多胞元液舱结构的防护效能研究

为探究多胞元液舱结构对爆炸载荷的防护效能,提出了内凹多胞元液舱结构,建立了常规液舱结构、内凹多胞元液舱结构的三维数值模拟模型,比较了两类结构在不同强度的爆炸载荷作用下的响应和防护特性,讨论了充液方式变化对多胞元液舱结构抗爆效能的影响。结果表明：在爆炸载荷作用下,完全充液液舱结构的前、后面板均呈现出与爆轰方向一致的弯曲变形,其余外侧面板呈现出向结构外部的弯曲变形,部分充液液舱结构的变形形貌与充液位置有关;在对结构进行完全充液时,内凹多胞元液舱结构的抗爆效能优于常规液舱结构;在对结构进行部分充液时,于近爆端进行部分充液的内凹多胞元液舱结构的抗爆效能优于常规液舱结构,于远爆端进行部分充液的内凹多胞元液舱结构的抗爆效能劣于常规液舱结构。     

侧向局部爆炸荷载下钢质方管的损伤破坏及影响因素研究EI北大核心CSCD

采用野外实验与数值计算相结合方法,研究了初始条件对钢质方管在侧向局部爆炸荷载作用下损伤破坏效应的影响。将横截面边长均为100 mm的三种壁厚(3 mm,3.5 mm及4 mm)Q235钢方管置于160 g TNT药柱产生的爆炸场中进行冲击实验,分析了装药比例距离Z以及方管结构宽厚比W对结构迎爆面中心点挠度、凹陷变形区径向宽度及轴向长度等重要损伤变形特征参数的影响规律。利用动力有限元程序LS-DYNA及流固耦合算法对方管变形及破坏过程进行数值模拟,计算结果与实验现象吻合较好。基于结构关键节点处的应变-时间曲线,分析了方管迎爆面中心点和中截面直角边处变形经历的不同阶段。研究结论可为方管结构的结构设计和工程防护计算提供重要科学依据。     

运行状态下海上风机结构振源特性研究EI北大核心CSCD

由于海上风机结构运行环境的复杂性,其振源的准确识别与振源特性研究已经成为风机运行安全性评估的重点问题。以某新型复合式筒型基础结构海上风力发电试验样机为研究对象,依据原型观测获得的全负荷条件下结构不同位置的振动响应数据,对不同运行工况下诱发结构振动的振源进行全面识别与分析。利用谱峭度法识别明确引起海上风机结构振动的主要振源及其对应振动响应的频域属性,通过经验模态分解法对实测信号进行分解得到表征各振源特性的频域或频率尺度的分量,同时引入振动能量法对不同振源的能量比重进行统计分析,给出了海上风机结构运行状态下结构整体振动主振源及其对应振动能量分布随运行因素变化的分布规律。研究表明随着机组负荷的增加运行状态下海上风机结构振动的振源变化遵循由单一的环境荷载激励转为环境荷载激励和叶轮转动联合作用再到完全由叶轮转动产生的谐波激励影响的规律。     

聚脲包覆混凝土的压缩和吸能特性研究EI北大核心CSCD

混凝土结构在受到远超其极限强度的准静态或通近近载荷通用时,常常发博粉碎性的破坏,导致结构坍塌。采用高弹性材料包覆混凝土有可能减缓结构的灾难性坍塌。该文从从了聚脲涂层包覆的圆柱形混凝土试件在准静态从从态落锤压缩下的破坏过程从吸能特性。实验结果表明混凝土试样的抗压强度存在明显的应变率硬化效应,观察到聚脲包覆混凝土从无聚脲包覆混凝土破坏后期残余承压特性的明显差异。分析了有无聚脲包覆混凝土的破坏形态,结果表明聚脲包覆混凝土的压缩吸能效果远远优于无包覆混凝土,有可能承压吸能构件应用于工程实际。     

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。     

海水海洋骨料混凝土霍普金森压杆动态力学性能试验研究EI北大核心CSCD

为研究海水海洋骨料混凝土动态受压力学行为,采用155 mm大直径分离式霍普金森压杆(separated Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置开展了15个淡水河砂碎石混凝土、15个海水海砂碎石混凝土和15个海水海砂珊瑚混凝土在不同冲击气压下的动力荷载试验研究,并分别与各自混凝土(累计9个)在静力荷载作用下的受压性能进行对比分析。研究结果表明:淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的破坏面在于骨料与水泥浆体的界面区,而海水海砂珊瑚混凝土的薄弱点为珊瑚骨料本身;淡水河砂碎石混凝土和海水海洋骨料混凝土的破碎程度、峰值应力、峰值应变、能量吸收密度、动态强度放大系数均随应变率的增加而增大;在同级应变率下,海水海砂珊瑚混凝土的动态峰值应力最大、海水海砂碎石混凝土的次之、淡水河砂碎石混凝土的最小,而应变延性系数正相反;海水海砂珊瑚混凝土的动态峰值应变和能量吸收密度比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的大;基于欧洲混凝土规范CEB的预测曲线基本能反映海水海洋骨料混凝土动态强度放大系数与应变率之间的关系,而相应的吻合程度也体现了海水海砂珊瑚混凝土比淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的应变率效应更加显著。     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证EI北大核心CSCD

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

复合材料层合板端部压溃试验研究EI北大核心CSCD

通过对T800复合材料层合板进行一系列的端部压溃试验,重点研究了长度、厚度、铺层顺序、触发角以及胶结压力等因素对复合材料层合板破坏模式和力学性能的影响。分析复合材料板在端部压溃过程中的载荷-位移曲线和观察试验样件端部破坏形貌,揭示其破坏机理。结果表明:复合材料平板的端部压溃过程为非稳态脆性断裂模式,而含45°触发角的复合材料层合板的端部压溃过程为层束弯曲破坏模式;在端部压溃试验中复合材料平板压缩强度随着厚度的增加逐渐上升,而长度的增加会减少其压缩强度,同时[45°/0°/-45°/0°]_(3s)铺层比[45°/90°/-45°/0°]_(3s)铺层拥有更好的抗轴向承载能力;触发角的加入会改变试件在压溃过程中的破坏模式并极大降低试件压溃时的压缩强度,是影响复合材料结构吸能能力的关键因素;研究还发现不同胶结压力下,复合材料层板的力学性能随着胶结压力的增加逐渐提高,但达到一定胶结压力值后,继续增加胶结压力力学性能反而下降。     

泡沫铝填充薄壁金属管结构冲击吸能特性研究

目的 为了研究静动态加载下泡沫铝填充薄壁金属管结构吸能特性随泡沫铝密度的变化规律。方法利用材料试验机对3种不同密度的泡沫铝填充薄壁金属管结构进行准静态压缩,利用Taylor–Hopkinson实验装置对相同结构进行动态压缩实验,基于电测和光测法获得结构的静动态压缩载荷位移曲线,对载荷位移曲线进行积分得到结构的静动态吸能特性。结果 准静态压缩下,随着泡沫铝密度的增加,泡沫铝填充薄壁管结构能量吸收能力近似成指数增加。动态压缩下,结构能量吸收能力随泡沫铝密度增加先保持不变后增加。结论 准静态压缩下,在薄壁金属管中添加泡沫铝能明显增加泡沫铝填充薄壁金属管结构能量吸收能力,但在动态压缩下,低密度泡沫铝的添加无益于增加结构的能量吸收能力,为增加薄壁金属管的吸能能力需要求泡沫铝的密度超过一定值。     

基于不同支撑结构的薄壁管冲击微动磨损行为研究EI北大核心CSCD

在新型冲击微动磨损试验机上对304不锈钢薄壁管进行冲击微动磨损试验,研究了支撑结构(角度)和管长对薄壁管冲击微动损伤行为的影响,并对其界面响应和磨损机制进行分析。研究结果表明:当管长相同时,随着支撑结构角度的增大,薄壁管的变形量和冲击接触时间增大,而冲击接触峰值力、能量吸收率和磨损程度降低。当支撑结构角度相同时,管长的增加会导致变形量和冲击接触时间的减小,接触峰值力、能量吸收率和磨损程度的增大。通过对磨痕分析,304不锈钢薄壁管的冲击微动磨损的损伤机制主要是材料表面的疲劳剥落。     

船舶中压交流真空断路器结构抗冲击性能研究EI北大核心CSCD

船舶机电设备的抗冲击性能是考核设备战时生命力的重要指标。该研究采用冲击试验机试验和数值仿真方法研究了船舶中压交流真空断路器的抗冲击性能。研究结果表明:原样机在冲击试验后出现了由于结构变形引起的技术特性参数变化(断路器一相超程过小);样机模型的应力危险区域主要存在于底板和支撑底座,对该部分结构采用数值仿真方法(频域载荷)改进模型,改进后模型满足抗冲击性能要求;时域载荷作用下断路器模型的瞬态响应特性呈现为垂向响应较为剧烈,横向、纵向较为缓和,且在0.015 s内响应最为剧烈,于0.15 s趋于稳定;两种载荷作用下的模型响应结果较为接近,其中频域载荷应力值统计结果整体略大于时域载荷,选用频域载荷仿真计算更为保守。     

随机荷载下陡波形立管的非线性动力分析EI北大核心CSCD

对陡波形立管在随机荷载作用下的非线性动力响应进行了数值分析。考虑内部流体,基于柔性杆理论建立了陡波形立管(SWR)的数值模型,采用Newmark-β法求解立管动力响应,利用MATLAB软件编写相应计算程序DRSWR,将DRSWR的计算结果与OrcaFlex进行对比验证,然后对陡波形立管在随机波浪、顶部浮体随机运动共同激励下的应力响应进行了参数敏感性分析。结果表明:浮子段应力水平、应力变化幅值最高;应力极值点为拱弯点和垂弯点;大波高、低周期的波浪会导致立管整体应力水平急剧升高;平均静偏移增大导致立管应力极值减小;大幅高频的慢漂运动会使悬挂点应力显著增大;高密度、高流速内部流体会使陡波形立管处于高应力状态。     

星型拉胀蜂窝材料在压剪复合加载下的力学特性研究EI北大核心CSCD

拉胀蜂窝材料由于其良好的力学特性以及稳定的吸能特性,广泛地应用于各类防护结构。该文针对星型拉胀在压剪复合加载下的力学特性开展了研究工作。基于有限元技术建立星型拉胀蜂窝材料的数值模型,并基于增材制造技术和万能试验机开展验证试验,开展了星型拉胀蜂窝材料在不同压剪复合加载角度和速度下的仿真研究,对星型拉胀蜂窝材料在各个加载工况下的力学特性与变形模式开展研究,结果表明,星型拉胀蜂窝材料在准静态复合加载下依托胞元旋转发生整体变形,并产生倾斜变形带压溃,随着加载速度提升,由于惯性效应的增强,细观结构间的挤压变形更加充分,材料变形模式由整体变形向局部变形转变,形成冲击波。基于椭圆方程对星型拉胀蜂窝材料初始屈服应力进行拟合,建立星型拉胀蜂窝材料的准静态/动态屈服面,随着速度的提高,屈服面呈现出明显强化;最后通过对星型拉胀蜂窝材料的吸能特性研究表明,随着加载角度的增大,材料法向和切向总吸能分别呈现出下降和提高的趋势,且切向吸能特性对角度的改变相对法向方向更加敏感。