具有高效吸能特性的新型仿蜂窝多级薄壁结构

针对现有薄壁结构存在比吸能不高、压缩力效率较低的问题,以蜂窝为原型,模拟蜂窝多级嵌套结构,进行仿生结构优化设计。为了更好地探究形状参数对吸能能力的影响,进一步以相对旋转角度及加强柱直径为设计变量,设计了共20种仿蜂窝多级薄壁结构。运用3D打印技术,制备了尼龙材质的仿蜂窝多级薄壁结构样件,并进行准静态压缩试验。最后,对比分析了数值模拟结果与试验结果,得出以下结论：本文吸能能力最强的模型为YMT20-3.6,比吸能达到了10.87 J·g-1,较初始模型YMT0-0提高了约86%;旋转角度越大,加强柱直径越大,模型截面面积分布越均匀,模型变形模式也趋于对称,其能量吸收能力也更强;较大的旋转角度拥有更优异的吸能能力,但是其压缩力效率较小。增大模型加强柱直径能够减少旋转角度对压缩力效率的影响,提高模型的压缩力效率,从而得到吸能能力强、压缩力效率高的薄壁结构。     

玻璃纤维蜂窝管压缩试验及力学性能研究

针对复合材料压缩载荷及吸能特性现有研究的不足,提出不同壁厚、不同胞元数量的玻璃纤维蜂窝管结构,采用万能试验机进行静态压缩试验。结果表明：蜂窝管壁厚值较小时,其主要失效形式为纤维断裂;壁厚值较大时,其失效形式为纤维断裂损伤及纤维层分层。压缩峰值载荷及总吸能随胞元数量及壁厚值增加而增大,比吸能仅随其壁厚值增加而增大。壁厚值0.4 mm的单胞元蜂窝管压缩峰值载荷取最小值2.11 kN,对应的能量吸收总量为23.9 J,比吸能为7.96 J·g^-1;壁厚值0.8 mm的八胞元蜂窝管压缩峰值载荷取最大值53.1 kN,对应的能量吸收总量为1 353.6 J,比吸能为36.88 J·g^-1。     

错位装配串联蜂窝结构缓冲吸能特性

为优化串联蜂窝的缓冲吸能效果与增强蜂窝结构的可设计性,通过平压实验与全尺寸有限元模拟研究装配错位对于串联蜂窝结构力学性能的影响. 采用准静态面外压缩实验,对单层蜂窝、双层对位装配蜂窝、双层错位装配蜂窝3种形式的Nomex蜂窝夹层结构进行测试,通过结构变形过程和响应曲线分析变形机理. 实验结果表明,双层串联蜂窝相比单层蜂窝结构可以有效改善蜂窝结构的承载能力和吸能效果. 错位装配使两层蜂窝同时开始变形,相比对位装配能进一步提升平台应力,消除第2个峰值应力,承载能力和吸能效果均有较大提升. 有限元模型通过建立蜂窝细节模拟错位装配效果,模拟与实验结果具有良好的一致性,同时验证了不同材料隔层对串联蜂窝力学性能的影响.     

两种新型蜂窝结构的承载性能对比

蜂窝结构有精巧、适用及节省材料等优点,其轴向承载力是一个非常重要的力学性能。以某型号电动车底盘部的甲板为例,研究菱形和圆形组合、三角形和六边形组合的新型蜂窝结构力学性能,对比其结构稳定性、轴方向的强度和刚度;基于Ansys workbench,通过改变壁厚,优化夹芯层整体的强度和刚度。结果表明,三角形和六边形组合蜂窝在轴向结构稳定性、整体的强度和刚度方面都要优于菱形和圆形组合的蜂窝结构。     

仿牛角结构薄壁管吸能特性仿真分析

为了提高薄壁金属管的耐撞性能,通过相似性分析,选择牛角作为生物原型。提取出决定牛角耐撞性能的结构特征参数,并应用到薄壁管的设计中,从而设计出一种具有牛角结构特征的仿生管。应用非线性有限元法对仿生管的变形模式和能量吸收进行了仿真分析,并与四晶胞锥管和普通圆锥管进行了对比,结果表明:在轴向碰撞时,仿生管的变形模式为渐进叠缩稳态变形,其比吸能为46.2kJ/kg,分别比四晶胞锥管和普通锥管的比吸能提高了1.3和1.8倍,仿生管的耐撞性能随着芯体壁厚的增加而提高;在横向碰撞时,与四晶胞锥管和普通圆锥管相比,仿生管具有较高的耐撞性能,其比吸能为10.4kJ/kg。将牛角结构特征应用到薄壁管的设计中,可以有效提高薄壁管的耐撞性能,为车辆吸能元件的研发提供参考。     

正弦曲边箭形蜂窝夹芯板抗爆性能研究

爆炸产生的冲击力会对建筑物造成严重破坏.采用一种正弦箭形夹芯板研究其抗爆性能,分析了夹芯板、钢板在不同厚度参数及爆炸荷载下的吸能特性.结果表明：在爆炸作用下,夹芯板变形有局部坍塌和整体坍塌等变形模式,整个系统内夹芯板的比吸能值大于钢板;厚度为0.7 mm和0.3 mm的蜂窝夹芯板容易对保护的构件造成损伤;相较于箭形蜂窝夹芯板和内凹六边形蜂窝夹芯板,正弦箭形蜂窝夹芯板具有更好的吸能特性.     

RPUF填充薄壁圆钢管短柱构件的轴压力学性能

基于建筑工程领域存在的碰撞、冲击等工程背景,提出密度为300 kg/m~3的硬质聚氨酯泡沫(RPUF, rigid polyurethane foam)填充建筑圆钢管短柱吸能构件,为获得该类构件在轴压荷载作用下的基本力学性能及吸能能力,开展了3组空钢管和3组RPUF填充圆钢管短柱构件的轴压试验.试验结果表明:轴压荷载作用下,填充RPUF能够有效改善建筑圆钢管在轴压荷载作用下的叠缩变形模式,使构件趋于对称叠缩变形;同时,RPUF填充圆钢管构件较空钢管的首个峰值荷载及各项吸能指标都有了较大幅度的提升,且壁厚越薄,提升幅度越大,体现了填充RPUF对建筑圆钢管的力学性能及吸能能力的提升.基于ABAQUS/Explicit求解器建立RPUF填充圆钢管短柱构件的轴压有限元模型,将仿真结果与试验结果对比,以验证有限元模型的准确性,随后开展参数分析,结果表明RPUF填充圆钢管耗能能力随壁厚和管径的增大而增大.在Alexander经典叠缩模型的基础上,推导了平均压缩力预测公式,与试验结果和数值模拟结果对比发现该公式能够有效预测RPUF填充圆钢管短柱构件在轴压荷载作用下的平均压缩力.     

泡沫铝填充钢/铝复合管轴向抗冲击吸能特性

为揭示泡沫铝填充复合材料的力学行为,本文以泡沫铝填充钢/铝复合管(Al-Foam filled clad tube,简称AlFFCT)为研究对象,采用多孔泡沫材料Crushable-foam本构模型,在ABAQUS平台上模拟分析了泡沫铝孔隙率、高径比、径厚比、界面结合状态和复合管层厚比等材料和结构参数对AI-FFTC吸能特性的影响。结果表明:泡沫铝孔隙率低于90%时,Al-FFCT的冲击屈曲模态均为轴对称变形,与结构参数无关;泡沫铝与复合管以及复合管组元间界面结合状态和层厚比对结构变形协调性和整体的抗冲击能力具有显著影响,可通过上述多个结构参数的组合匹配,实现综合吸能特性的柔性定制,比传统的泡沫铝填充管具有更大的设计空间,为汽车保险杠、吸能盒等缓冲结构设计提供了新的轻量化材料。     

聚氨酯蜂窝纸板静力学性能和吸能性能

将聚氨酯填充到蜂窝纸板的孔隙中制作了聚氨酯蜂窝纸板复合材料并对其进行静态压缩试验,进而对其吸能特性进行研究,并对影响复合材料的一些因素进行逐个分析,找到它们影响复合材料静态缓冲性能的内在规律.结果表明:复合材料的弹性极限(从0.224 0 MPa提高到0.542 2 MPa)和屈服应力(约为填充前的3～4倍)较单纯蜂窝纸板增长明显;单纯蜂窝纸板材料和聚氨酯蜂窝纸板复合材料的抗压强度和屈服应力随着蜂窝孔径的增大而减小,随着厚度增大略有提升,孔径对其力学性能的影响非常显著;复合材料吸能量较复合前2种材料大幅增加,约为复合前2种材料吸能量总和的1.85倍;吸能效率和理想吸能效率都优于复合前2种材料.     

3D打印蜂窝结构在临时性建筑中的力学性能分析

为研究改进传统临时性建筑如:木头、纸筒、竹子、简易帐篷等材料制备的临时性住所存在可设计性不强、材料不够轻便、力学性能不足等问题. 利用3D打印技术,使用PLA材料制备了手型蜂窝、六边形蜂窝、内凹六边形蜂窝、星形蜂窝和三角形蜂窝结构,并对这5种蜂窝结构进行测试了面内拉伸、面外弯曲和面内压缩的力学特性. 根据实验结果,依靠数据对这5种结构的蜂窝芯子进行力学性能对比.结果显示手型蜂窝结构具有较大的承载能力,六边形蜂窝结构的综合力学性能优于其他4种结构. 最后根据载荷位移曲线图,对比分析运用3D打印蜂窝结构在临时性建筑中,如何优于传统临时性建筑在建造中所使用的结构与材料. 研究表明:设计的蜂窝结构轻质高强优于传统临时性建筑物材料,在一定条件下利用3D打印技术,使用PLA材料制备的手型蜂窝和六边形蜂窝结构,可以满足灾后临时性建筑的力学性能需求且可设计性强,材料轻便节省人力,有效的减少临时建筑物对灾民的二次伤害.     

基于逆有限元的蜂窝板结构形状传感研究

蜂窝铝芯夹层复合材料因其优异的力学性能以及良好的隔热、减震性能而广泛应用于航空航天领域。但是,复杂的结构形式给后续的结构健康监测以及剩余寿命评估带来了困难。大量文献证明逆有限元方法在形状传感以及应力应变场重构方面具有独特的优势。在实际应用中,应变传感器的布设数量受到成本等各种因素限制,因此传感器的数量和位置的合理选择是准确重构结构变形的关键因素。基于精细化的蜂窝板模型以及等效的夹层板模型,利用不同的应变传感器布设方案,研究了最佳的蜂窝板状态重构策略。通过算例分析可知,基于均质的夹层板模型,利用少量的应变数据(方案C)也可以准确地重构出蜂窝板的变形,而精细化的蜂窝板模型则需要大量的应变输入。     

三角形蜂窝的共面冲击动力学

采用有限元方法研究了冲击速度在3-250m／s的条件下,结构参数和冲击速度对三角形蜂窝共面冲击力学性能的影响．三角形蜂窝在不同冲击速度下呈现不同的变形模式,各变形模式间的转换速度随着壁厚边长比和扩展角的增加而增加．当所有结构参数保持恒定时,共面动态峰应力与冲击速度的平方呈线性关系．对于给定的冲击速度,共面动态峰应力与壁厚边长比成幂指数关系,与扩展角的关系可以用一较复杂的数学模型进行拟合．基于有限元计算结果利用最小二乘法拟合得到了共面动态峰应力关于各结构参数和冲击速度的经验关系式．     

防冲锚杆索的吸能原理研究

针对冲击危险巷道对锚杆支护结构的特殊要求,基于六角管挤压摩擦吸能特性研发了由内置六角管衬里的吸能套筒、端部设有摩擦圆柱的螺纹钢锚杆、钢绞线锚索与锚杆尾部吸能装置组成的吸能防冲锚杆索.基于吸能套筒几何参数与变形特征分析,推导了套筒内半径、摩擦圆柱半径与六角管壁厚三者之间的相互配合关系.采用塑性弯曲理论结合数值模拟与室内试验方法,进行了六角管挤压变形过程的力学分析.结果表明:给定套筒内半径与六角管壁厚时,当摩擦圆柱半径小于临界半径时,摩擦圆柱对六角管起挤压摩擦作用,其阻力值随着摩擦圆柱的进入逐渐增大,摩擦圆柱全部进入后则为恒定值;当摩擦圆柱半径大于临界半径时,随着摩擦圆柱的进入外部套筒开始对挤压变形后的六角管提供径向压缩作用,阻力会显著增大;摩擦圆柱长度与吸能阻力呈线性关系.给出了平均吸能阻力为140kN时吸能套筒的具体结构参数及其防冲支护算例.     

开孔空心球结构的准静态压缩力学行为

空心球材料具有超轻、高比强度、缓冲性能好等优点，在航空航天、汽车安全等领域具有诸多需求，其力学性能主要受微观结构的影响。利用实验和有限元数值模拟研究3D打印开孔空心球结构的准静态压缩力学行为，主要分析胞元个数、开孔孔径以及空心球排列方式对两种连接方式空心球结构力学性能的影响。研究结果证实，开孔空心球结构的准静态压溃过程主要分为弹性变形阶段、塑性大变形阶段以及密实化阶段；当试件中胞元个数达到3×3×3以上时，其力学性能基本与胞元个数无关；总体上，有连接颈结构的比模量和比强度高于无连接颈结构，而无连接颈结构的比吸能高于有连接颈结构；面心立方排列结构的压缩力学性能优越，其次是体心立方排列结构，简单立方排列结构力学性能最弱；简单立方和体心立方结构的比模量、比强度以及比吸能与孔径之间是线性关系，而对于面心立方结构是非线性关系。为3D打印空心球材料的设计与应用提供一定参考。     

正方形蜂窝纸板面内压缩力学性能仿真分析

采用SolidWorks软件仿真分析结构性能的功能,研究了正方形蜂窝结构面内压缩力学性能。结果表明,当蜂窝厚度一定时,蜂窝边长越大,屈服强度迅速下降;当蜂窝边长一定时,随着蜂窝厚度增加,屈服强度逐渐增加。通过有限元分析方法能有效地降低实际测试费用。     

超高速摄影中蜂窝结构转镜性能分析

提出蜂窝结构的三面体转镜,对这种新型转镜做了结构设计,利用三维有限元计算技术,分析蜂窝结构三面体铝合金转镜的力学性能.结果表明,对镜面尺寸17.325 mm,轴向长度32.5 mm的三面体铝合金转镜,在5×105 r/min下,镜面最大变形量为0.547 μm,是原结构铝合金转镜镜面的1/6.3,与相同结构尺寸的铍转镜镜面变形量处于相同量级,内部最大应力小于原结构铝合金转镜.应用ZMAX软件分析铍合金转镜光学系统、铝合金转镜光学系统和蜂窝结构转镜光学系统的性能,发现蜂窝结构转镜镜面光学系统最大视场弥散斑半径仅有原转镜的0.205,对成像的像质影响大为减小.     

梁板融合预制装配式双拼槽钢混组合楼板试验

为充分发挥装配式工业化程度高和钢-混组合结构优良力学性能的优势,提出一种装配式双拼槽钢-混凝土组合楼板,对3组简支组合楼板试件进行了四点加载试验,研究了该组合楼板的竖向静载下力学性能。分析了楼板裂缝、挠度、应变(钢筋、钢梁、混凝土板)随荷载发展规律;基于极限平衡法,提出了考虑受拉薄膜效应和刚度强化系数的承载力计算公式。结果表明：组合楼板的变形呈双向板特征,试件破坏时均出现板顶角部裂缝和弧形裂缝,混凝土板底中心区域为网状裂缝和向角部延伸的斜裂缝,双拼主梁发生塑性弯曲;在楼板的中心挠度达到l₀/40时,试件荷载分别为327.63 kN、436.92 kN和406.12 kN,组合楼板承载力较高;钢筋的应变发展在垂直钢梁方向较大,沿着塑性铰线屈服;考虑受拉薄膜效应和刚度强化系数的计算公式与试验结果吻合良好,准确地预测了楼板荷载-挠度全过程曲线。     

折纸超结构准静态压缩力学性能分析与优化设计

为了改进折纸超结构的构型设计,基于Miura折纸原理设计了一种超结构.利用数值仿真分析方法研究了面外准静态压缩力学性能,探讨了折纸超结构的边长比、单元角度、展开角度以及厚度对其压缩过程的变形及能量吸收的影响规律.引入主次影响分析方法,比较了几何参数对力学性能指标的重要影响程度.基于响应面方法,建立了以初始峰值力最小和比吸能最大为目标、以几何尺寸为约束、以折纸超结构重要影响几何参数为设计变量的优化模型,并采用非支配排序遗传算法对优化模型进行了求解,获得了Pareto前沿最优解.研究结果对于提高折纸超结构的力学性能及构型设计具有一定的理论指导意义.     

基于折纸技术制造的蜂巢结构的力学性能

蜂巢夹层结构材料因具有高强度、轻质量的优势正在逐渐取代传统的结构材料,并广泛地应用于汽车、船舶以及航空航天领域。然而,这种材料在制造过程中生产工艺比较复杂,特别是针对具有不规则断面的蜂巢结构,容易在弯曲、切削等二次加工时出现制造上的缺陷和损伤,从而影响结构本身的力学性能。为避免二次加工,文章利用折纸技术的原理,设计并制作了2种蜂巢结构试样。通过弯曲和压缩性能测试,研究了蜂巢结构的变形行为和力学性能。在室温下获得的载荷-位移曲线表明,变形过程大致分为线弹性、塑性平台和致密化3个区域。实验结果表明:蜂巢结构的弯曲刚度和抗压强度分别约为0.32 kN·m2和0.39 MPa;揭示了基于折纸技术制造的蜂巢结构具有良好的力学性能。     

三维编织不对称内凹六边形复合材料吸能探究

利用三维编织技术制备了内凹六边形结构预制体,对三种不同内凹角的内凹六边形蜂窝状复合材料进行了压缩测试,分析了能量吸收性能和损伤变形演变。研究表明,三维编织内凹六边形蜂窝状复合材料在压缩过程中都产生层层单胞折叠压缩的变形演变趋势,载荷-位移曲线拥有较长的压缩平台期,表现出优异的能量吸收性能。内凹角度对内凹六边形复合材料吸能性能有明显影响,内凹角度50-50的试样的比吸能和平台载荷大于内凹角度60-60的试样;结构的不对称性可以提高内凹六边形复合材料的吸能性能,内凹角度50-60的不对称内凹六边形复合材料的比吸能和平台载荷是三种结构中最大的。