碳纤维复合材料-泡沫铝夹芯板的冲击响应

采用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了T700碳纤维复合材料面层-泡沫铝芯体的夹芯结构动力响应。利用激光测速装置、高速摄像仪和位移传感器记录了泡沫子弹的撞击速度、子弹撞击夹芯板全过程和夹芯板后面板中心点的位移时程曲线。研究了加载冲量和芯层相对密度对夹芯板冲击响应的影响,得到了碳纤维复合材料-泡沫铝夹芯板的变形与失效模式。同时,采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,研究了复合材料面板铺层方式、面层厚度、芯层厚度和相对密度以及泡沫铝子弹的长度、速度和相对密度等参数对夹芯板冲击响应的影响。     

低速冲击下金属面夹芯板性能分析

用实验、有限元及理论分析相结合方法对金属面夹芯板抗冲击性能进行研究。用实验方法研究金属面夹芯板在落锤冲击下的动力性能及破坏情况,并用有限元方法对实验进行模拟分析,验证有限元计算方法的适用性;用理论方法对夹芯板局部变形进行分析,将局部变形势能与外力功建立体系总势能,用势能驻值原理获得集中力与局部变形关系,以面板拉伸断裂为破坏条件,获得夹芯板开裂冲击力;建立有限元模型计算夹芯板开裂破坏时的冲击力,并与公式计算值比较。分析表明,夹芯板开裂冲击力随面板强度、厚度及锤头半径、开裂应变的增加而增大,落锤质量、芯材强度、芯材厚度对开裂冲击力基本无影响。     

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。     

粘接界面泡沫铝夹芯板的三点弯曲失效数值模拟

对粘接界面泡沫铝夹芯板三点弯曲载荷下的变形特性进行了实验和数值模拟方面的研究。基于有限元软件ABAQUS建立了泡沫铝夹芯板的三维有限元模型,应用内聚力模型对三点弯曲过程中典型的破坏模式——面板与芯层的界面脱粘给予了合理的模拟,模拟所得的结果与实验结果比较吻合。并在此基础上分析了面板和芯层厚度对夹芯板承载能力和吸收能量能力的影响。结果表明,增加芯层的厚度能够更大程度上提高泡沫铝夹芯板的承载能力和吸收能量的能力。     

泡沫铝夹芯板压入和侵彻性能的实验研究

利用MTS和落锤试验机研究了由复合材料面板和闭孔泡沫铝芯层组成的夹芯板结构在压入和侵彻时的变形和失效行为,并通过引入无量纲参数——能量吸收效率因子,探讨了一些关键参数对夹芯板压入和侵彻性能以及能量吸收性能的影响,如冲击能量、面板厚度、芯层厚度及相对密度、压头/锤头形状和边界条件等。结果表明夹芯板的破坏主要集中在压头作用的局部区域内。夹芯板的能量吸收效率对其结构参数比较敏感,增加上层面板厚度、芯层厚度或芯层相对密度能够有效地提高夹芯板结构的能量吸收能力以及抵抗压入和侵彻的能力,而下层面板厚度的对夹心板抗侵彻性能的影响不明显。不同的压头/锤头形状和边界条件对泡沫铝夹芯板的压入和侵彻响应以及能量吸收性能影响明显。     

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。     

明胶鸟弹撞击复合材料蜂窝夹芯板试验

开展明胶鸟弹撞击复合材料蜂窝夹芯板试验,研究夹芯结构在软体高速冲击下的损伤形式,分析相关因素对结构动态响应结果的影响。通过CT扫描对复合材料蜂窝夹芯板内部进行检测可知,面板出现分层、基体开裂、纤维断裂、凹陷、向胞内屈曲等损伤形式,蜂窝芯出现芯材压溃、与面板脱粘的损伤形式;分析复合材料蜂窝夹芯板后面板的动态变形过程及撞击中心处位移-时间数据可知,复合材料蜂窝夹芯板在撞击过程中出现由全局弯曲变形主导和局部变形主导的两种变形模式;通过对比不同工况下的复合材料蜂窝夹芯板损伤程度可知,复合材料蜂窝夹芯板损伤程度随鸟弹撞击速度的增加而增大;蜂窝芯高度为10 mm的复合材料蜂窝夹芯板较蜂窝芯高度为5 mm的复合材料蜂窝夹芯板的损伤程度大;初始动能较大的球形鸟弹较圆柱形鸟弹对复合材料蜂窝夹芯板造成的冲击损伤程度更大。      

复合材料泡沫夹芯板局部连接拉脱破坏试验与数值仿真

对复合材料泡沫夹芯板局部连接拉脱破坏进行了试验研究,分析了接头的破坏模式、失效载荷和面板对接头的影响。采用ABAQUS有限元软件进行了数值分析,通过与实验结果对比验证其模型的可靠性,预测分析内部的破坏模式以及结构参数对接头破坏的影响,研究了泡沫芯体内部的渐进破坏以及面板和泡沫芯体之间的胶层脱粘破坏。结果表明:泡沫夹芯板预埋螺栓连接结构灌封胶边缘的泡沫先产生裂纹后向中间扩展,中间区域全部开裂时两端裂纹沿着45°方向向上扩展。胶层开裂的区域呈弧形条状,分布在螺栓紧固件的两侧,在面板宽度方向,开裂的区域贯穿两侧。随着预埋件深度的增加最大破坏载荷也在增加,随着预埋件直径的增加亚临界破坏载荷和最大破坏载荷没有比较明显的变化,但最大破坏位移在减小。      

缝合对泡沫夹芯复合材料低速冲击性能的影响EI北大核心CSCD

为了研究缝合对泡沫夹芯复合材料抗低速冲击的影响,以未缝合、全厚度缝合和冲击面纤维面板三类缝合碳纤维泡沫夹芯复合材料板为研究对象,采用落锤冲击试验机对泡沫夹芯复合材料板进行10J能量的冲击试验。然后使用水浸超声波扫描成像系统对冲击后的复合材料板进行损伤检测,得出泡沫夹芯复合材料板内部不同深度层的损伤情况。采用ABAQUS有限元软件对上述三类泡沫夹芯复合材料板进行有限元模拟,得出了低速冲击响应过程及面板的损伤情况,并进行了实验与数值模拟结果对比分析。研究结果表明,缝合会使得各铺层的损伤趋向均匀化,能够大幅提高层合板的整体性使各铺层之间的衔接更加紧密。在较小冲击能量下,全厚度缝合与冲击面纤维面板缝合都能够抑制分层的破坏,并且抑制分层的效果相差不大,且靠近冲击面的层与层之间更加容易产生分层的破坏。     

缝合对泡沫夹芯复合材料低速冲击性能的影响

为了研究缝合对泡沫夹芯复合材料抗低速冲击的影响,以未缝合、全厚度缝合和冲击面纤维面板三类缝合碳纤维泡沫夹芯复合材料板为研究对象,采用落锤冲击试验机对泡沫夹芯复合材料板进行10J能量的冲击试验。然后使用水浸超声波扫描成像系统对冲击后的复合材料板进行损伤检测,得出泡沫夹芯复合材料板内部不同深度层的损伤情况。采用ABAQUS有限元软件对上述三类泡沫夹芯复合材料板进行有限元模拟,得出了低速冲击响应过程及面板的损伤情况,并进行了实验与数值模拟结果对比分析。研究结果表明,缝合会使得各铺层的损伤趋向均匀化,能够大幅提高层合板的整体性使各铺层之间的衔接更加紧密。在较小冲击能量下,全厚度缝合与冲击面纤维面板缝合都能够抑制分层的破坏,并且抑制分层的效果相差不大,且靠近冲击面的层与层之间更加容易产生分层的破坏。     

缝纫泡沫夹芯复合材料板的稳定性分析

整体屈曲是缝纫复合材料夹芯板的一种重要失效模式。考虑到缝纫夹芯复合材料板一般较厚且面板与芯层厚度相差较大, 缝纫工艺对夹芯板刚度影响较大的特点, 基于高阶剪切理论, 编制了缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性分析的有限元程序。利用该程序对多个算例进行了计算, 所得临界屈曲应力与文献及试验结果吻合很好。同时, 讨论了不同边界条件下缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性随缝纫参数(包括针距、 行距和缝纫针半径)以及结构参数(包括面板铺层角、 芯层厚度和缝纫夹芯板边长)的变化规律。      

双层泡沫铝夹芯板抗滚石冲击结构性能优化研究

在山区桥墩抗滚石冲击领域中,防护结构优良的耗能性能是保证桥墩安全稳定的关键。为此,引入泡沫铝夹芯结构,通过MTS压缩试验与动力有限元分析芯体厚度变化对夹芯板耗能性能的影响。结果表明:相比于单层泡沫铝夹芯板,相同压载条件下双层泡沫铝夹芯板具有更优良的耗能能力;对于双层泡沫铝夹芯板,一定程度上增大上下层泡沫铝芯体厚度均可有效提升夹芯板耗能性能,然而,当芯体厚度增大到一定值时,夹芯板耗能性能不再显著提升;双层泡沫铝夹芯板上下层厚度的最优化比例为3:2。上述研究成果已应用于S303映(秀)-卧(龙)公路青岗坪渔子溪大桥桥墩,防护效果显著。     

泡沫铝夹芯板抗冲击性能分析

试验设计了3块钢板夹泡沫铝夹芯板,厚度分别为50 mm、70 mm和100 mm。对每种厚度夹芯板进行七组不同落锤高度的冲击试验,测得了上、下面板变形值,记录了夹芯板的破坏情况。应用数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA进一步还原夹芯板冲击过程,导出了面板与芯材的吸能占比。基于假设的夹芯板理论模型,给出了平均冲击荷载、局部变形和整体变形最大值的估算公式。结果表明:当夹芯板尺寸和材料强度一定时,局部变形值与落锤高度的平方根成正比,整体变形最大值、平均冲击力均与落锤高度的平方根成线性关系。夹芯板的抗冲击性能主要依靠增大泡沫铝芯层的变形进行耗能,芯层越厚,泡沫铝吸能占比越大,局部变形越小,夹芯板受到的冲击力越大。     

等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板的热性能

为研究等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板传热机制,利用导热仪对夹芯板的传热性能进行了实验测试与模拟研究。结果表明:夹芯板稳态导热系数模拟结果与Swann and Pittman经验公式的计算结果相吻合,验证了数值计算胞体平面模型的合理性;Part2为夹芯板稳态传热的主要构件,Part2胞壁厚度与边长对夹芯板导热系数有显著影响,Part2高度、Part1与Part3厚度及面板厚度对夹芯板导热系数的影响偏弱;同时,若仅需降低夹芯板的导热系数,而忽略对夹芯板静力学性能要求,应该更换蜂窝芯层材料;若需夹芯板同时满足隔热性能与静力学性能,多层蜂窝芯夹芯板是很好的选择。      

等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板的面内压缩性能

为研究等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板面内压缩破坏机制, 利用材料试验机对夹芯板面内压缩性能进行了试验测试, 并开展了模拟研究。结果表明: 夹芯板的面内压缩破坏方式主要有面板折断、夹芯板屈曲失稳和夹芯板中面板与蜂窝芯脱粘3种类型。面板为夹芯板面内压缩的主要承载构件, 蜂窝芯对面板起到固支作用。面板结构参数与材料参数为影响夹芯板面内压缩抗压强度与抗压刚度主要因素, 多数蜂窝芯的结构参数与材料参数对夹芯板面内压缩抗压强度的影响微弱, 而个别蜂窝芯的结构参数对夹芯板面内压缩抗压刚度的影响比较显著。夹芯板体积一定时, 随着蜂窝芯胞体单元数量的增加, 夹芯板面内压缩的抗压强度与抗压刚度逐渐增大。      

基于有限元法的蜂窝夹层结构稳定性研究

蜂窝夹层结构随面板厚度的逐渐变化会出现不同的屈曲现象。针对连续芯层有限元模型, 求出不同面板厚度时结构的屈曲因子, 并与经验失稳公式预测值进行对比, 两种方法的结果基本吻合。建立考虑芯层几何特征的有限元模型, 进行屈曲分析并研究芯层几何参数对结构稳定性的影响。介绍了一种局部屈曲现象——蜂窝壁屈曲, 提出了相应的失稳预测分析方法, 并与三维有限元分析结果进行比较, 验证该方法的正确性。对承受多轴惯性载荷的蜂窝夹层承力筒结构进行稳定性分析, 通过改变面板厚度和纵横惯性载荷比, 得到一系列有限元解, 给出了相关的多轴惯性载荷相关方程。     

复合材料层合夹芯板局部变形行为研究

在局部荷载作用下,带软夹芯层的夹芯板结构将产生一定的局部变形现象。本文采用双参数基础模型模拟软夹芯材料与受载层合面板间的相互作用,基于经典层合板理论,推导并给出了夹芯板结构局部变形问题的半解析分析方法,并通过算例讨论了边界条件、荷载作用方式、夹芯层厚度与弹性模量等因素对该类结构局部弯曲和局部屈曲行为的影响。     

金字塔型点阵材料夹芯板抗爆性能仿真与优化

金属点阵材料夹芯板因其轻质、高比强度、高比刚度以及多功能和良好的可设计性等优势在工程防护领域应用潜力巨大。基于动力显式有限元法,仿真研究了金字塔型金属点阵材料夹芯板在爆炸载荷下的动态响应,并进行了针对其抗爆性能的多目标优化;建立了包含实体单元芯体的夹芯板详细有限元模型,并提出了采用梁单元芯体的简化模型;通过与文献实验结果对比验证了模型的有效性和准确性;在此基础上,以面比吸能和背板最大变形量为评价指标,采用单一变量法分析了芯体关键几何参数对夹芯板抗爆性能的影响;以关键几何参数为变量,利用响应面模型和遗传算法对夹芯板进行了抗爆性能多目标优化;并考虑爆炸当量不确定性,完成了夹芯板抗爆性能可靠性优化。结果表明,梁单元芯体简化模型可大幅度提高仿真计算效率,为夹芯板抗爆性能优化提供便利;芯体关键几何参数对金字塔型点阵夹芯板抗爆性能影响很大;多目标优化和可靠性优化能够提高金字塔型点阵夹芯板的综合抗爆性能和可靠性。     

两端固支泡沫铝夹芯梁在冲击荷载作用下的动力响应

提出两端固支泡沫铝夹芯梁在跨中受到冲击荷载作用下动力响应的简化理论计算方法。运用该方法及有限元软件LS-DYNA分别计算了泡沫铝夹芯梁在冲击荷载作用下的动力响应,着重考查了面板材料及芯材厚度对泡沫铝夹芯梁跨中位移的影响情况。并通过试验测量结果对理论计算结果及数值模拟结果进行了验证。研究显示,在不同冲量作用下,泡沫铝夹芯梁跨中位移理论值与实验结果两者符合程度较好,最大误差仅为14%;HRB335级钢面板泡沫铝夹芯梁较304#不锈钢面板泡沫铝夹芯梁在相同冲量作用下具有更小的跨中位移;芯材厚度的增加对提高泡沫铝夹芯梁抵抗冲击荷载的性能也有一定的贡献,夹芯梁芯材厚度由10mm增加至20mm,其跨中位移减小了33%左右。     

面内压缩超轻质点阵夹芯板的优化、 试验与仿真

为揭示点阵材料在航空航天工程中的应用潜力,对承受面内压缩载荷点阵夹芯板的力学行为进行了研究。基于夹芯板整体欧拉失稳、剪切失稳、格间局部失稳、跨格局部失稳和应力破坏多种理论失效模式,引入面板厚度、厚度方向的点阵层数、点阵杆件长度、截面尺寸、倾斜度、胞元长细比等优化变量,推导了点阵夹芯板的最小质量优化设计方法。同时利用激光选取熔融（SLM）增材制造工艺生产了点阵夹芯板试验件。随后,采用有限元方法对试验结果进行了仿真分析,两者误差在10%以内,证实了数值方法的准确性。最终对初始设计和优化设计方案进行了数值分析,发现优化方案在保持相同承载力的条件下,实现结构减重16.6%,验证了优化设计方法的有效性。同时,试验与仿真的一致性有力地证明了增材制造工艺在点阵夹芯结构制造方面的可行性。