六韧带手性蜂窝材料韧带的冲击动荷系数及稳定性分析

手性蜂窝材料内部韧带的变形及失稳特性控制了该类材料的抗冲击性能。本文运用能量法和泛函数极值分析的方法,分别探讨了六韧带手性蜂窝材料在受到面内冲击时缓冲第一阶段中韧带的冲击动荷系数及韧带失稳坍塌临界压力,得到了韧带的动荷系数及其失稳临界压力的解析表达式,进而揭示手性蜂窝材料抗冲击性能的内部微结构溃塌机制和关键影响因素。结果表明:视为扭簧的韧带节点环在冲击压缩变形过程中扭转角越大,韧带的动荷系数越小,而韧带的失稳临界压力随着节点环扭转角的增大而增加。研究方法和结果可为手性蜂窝材料及其它蜂窝型材料抗冲击能力的进一步研究和微结构设计提供理论参考。      

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。     

组合蜂窝材料面内冲击性能的研究

基于三角形和六边形蜂窝结构面内冲击性能的研究,该文探讨了面内冲击荷载作用下组合Kagome蜂窝结构的变形机制和能量吸收特性。首先,在保证蜂窝结构胞元厚度与边长尺寸比值不变的前提下,分析了不同形状胞元及其组合结构的动态冲击性能,给出了试件宏观及微观胞元结构的动态演化过程。在此基础上,探讨了冲击速度和相对密度一定情况下单位质量不同蜂窝结构的能量吸收特性。其结论将对蜂窝材料微拓扑结构的动力学优化设计提供指导。     

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。     

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。     

弧边内凹蜂窝负泊松比结构的面内冲击动力学数值研究

该文数值研究了一种可变弧边内凹多胞蜂窝负泊松比结构的面内冲击动力学性能,讨论了胞元弧角和冲击速度对结构的变形失效模式、动力响应曲线、能量吸收特性和平台应力特征的影响。研究表明:冲击过程结构中出现旋转位移,胞元发生扭曲变形;结构变形受胞元弧角的影响,胞元弧角取值不同时结构具有不同的面内冲击失效模式;冲击过程中应力-应变曲线包括初始阶段、稳定阶段和锁定阶段,最终结构进入密实化阶段;结构的体能量吸收值和平台应力受冲击速度和胞元弧角的影响显著。     

米字形填充正方形蜂窝异面平台应力

目的 研究冲击速度和结构参数对米字形填充正方形蜂窝异面平台应力的影响规律。方法 利用ANSYS/LS-DYNA建立该蜂窝可靠的基于胞元阵列的异面冲击分析有限元模型;基于简化的超折叠单元理论推导该蜂窝的准静态平台应力理论公式,理论值与仿真值相吻合验证理论公式的正确性。对不同壁厚边长比的蜂窝,在不同冲击速度下进行异面冲击仿真分析,利用LS-PrePost软件处理得到相应的接触力-位移曲线,进一步处理得到变形模式和平台应力,并以图表的形式加以展示与分析。结果 不同冲击速度下结构参数固定的蜂窝表现出LS、MS和HS等3种不同的异面冲击变形模式,从LS模式转变到MS模式再到HS模式的临界速度分别约为20 m/s和150 m/s;壁厚边长比对变形模式的影响可忽略。结论 该蜂窝动态平台应力随冲击速度(或壁厚边长比)的增加而增大,且增长速率不断提高。当其他参数固定时,LS模式和MS模式下该蜂窝的动态平台应力与冲击速度呈二次函数关系,HS模式下动态平台应力与冲击速度的平方呈线性关系;动态平台应力与壁厚边长比呈幂函数关系。基于仿真计算结果,得到了该蜂窝动态平台应力的经验表达式。     

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。     

蜂窝铝的面内动态冲击有限元研究

目的研究双壁厚蜂窝铝的面内动态冲击力学行为。方法利用Ansys/LS-DYNA有限元软件,建立双壁厚蜂窝铝有限元模型,分析蜂窝铝壁厚和冲击速度对蜂窝铝面内变形模式和平台应力的影响。结果随着冲击速度的增大,在蜂窝铝的压缩方向上观测到3种变形模式,获得了变形模式转换的临界速度,并给出了临界速度与厚跨比的关系式。计算了不同冲击速度和厚跨比下蜂窝铝的平台应力。结论变形模式对平台应力有很大的影响,不同的变形模式下呈现不同的规律:准静态模式时,平台应力与冲击速度无关;过渡模式和冲击模式时,平台应力随着冲击速度v的增大而增大,分别与v 1.5和v2成线性关系。根据有限元结果,拟合得到了不同的变形模式下平台应力与冲击速度的经验公式。     

蜂窝结构力学超材料弹性及抗冲击性能的研究进展

具有手性蜂窝结构的力学超材料是近年来发展起来的高性能工程材料,它具有轻质、高比刚度、负泊松比、结构参数可调以及力学性能稳定等优点。其不仅可以实现面内变形,面外承载的双重力学作用,还具有出色的隔振、吸声降噪以及控制弹性波的传播等工程应用潜质,在智能结构、车辆船舶、航空航天等领域具有巨大的发展潜力。本文从其弹性和抗冲击两个力学性能方面进行综述。首先介绍并评述了近年来蜂窝结构力学超材料的面内杨氏模量、负泊松比特性以及面外剪切模量等弹性性能的理论分析研究进展。在抗冲击性能方面,从力学模型建立和有限元分析的角度出发,对手性蜂窝结构力学超材料在冲击载荷作用下的整体变形及其抗冲击性能的研究现状分别进行了评述。最后指出针对蜂窝结构力学超材料弹性及冲击性能的研究,可进一步建立内部韧带变形及力的传递力学模型以及深入探索冲击过程吸能机理等,以期为该类力学超材料内部韧带和节点环结构的优化设计提供参考。     

The influence of cell micro-topology on the in-plane dynamic crushing of honeycombs

The influence of the cell micro-topology on the in-plane dynamic crushing of honeycombs is studied by means of explicit dynamic finite element simulation using ANSYS/LS-DYNA. Firstly, under the assumption that the edge length and thickness are the same, the dynamic properties of the honeycombs filled by cells with different shapes (equilateral triangular or quadratic cells) and micro-arrangements (regular or staggered arrangement) are numerically analyzed. The full-scale in-plane dynamic crushing of the specimen, as well as the micro-structure transformation during the deformation, is discussed. Based on these, the influence of the cell micro-arrangement on the energy absorption ability of the honeycombs is clarified. The results show that owing to the differences in the micro-topology, triangular or quadratic honeycombs display different local deformation properties during the crushing. The variation of the cell arrangement patterns changes the local dynamic evolution characteristic of stress waves. ‘>’ and ‘<’ mode local deformation bands form at the sides of the stagger-arranged honeycombs, which results in lateral compression shrinkage during the crushing. The plateau stresses also increase with the impact velocity by a square law. The empirical equations for honeycombs filled with different cells (equilateral triangular or quadratic cells) and micro-arrangements (regular or staggered arrangement) at high impact velocities are formulated in terms of impact velocity, and the cell geometrical (edge length and thickness) and topology (edge connectivity) parameters.     

密度梯度蜂窝材料动力学性能研究

利用显式动力有限元方法数值研究了具有密度梯度六边形蜂窝材料的面内冲击动力学性能.根据功能梯度材料的概念,首先建立了具有密度梯度的蜂窝材料模型.基于此模型,具体讨论了密度梯度和冲击速度对六边形蜂窝材料变形模式和能量吸收性能的影响.研究结果表明,通过恰当地选择蜂窝材料的密度梯度,初始应力峰值明显减小,材料的能量吸收能力能够有效地得到控制.此结论为实现多胞材料动力学性能的多目标优化设计提供了新的设计思路.     

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。     

多层 U 形A瓦楞结构材料的共面力学性能

目的在不同冲击速度的共面载荷条件下,获取多层U形A瓦楞结构材料动态力学性能参数。方法建立有限元分析模型,并简化能量吸收模型,来评估其能量吸收性能。结果随着冲击速度的不断增大,均匀变形、过渡变形和动态变形等模式随之呈现。结论最佳单位体积的能量吸收主要由动态峰应力决定。在结构参数一定的条件下,共面动态峰应力取决于多层U形A瓦楞结构材料所受到的冲击速度。通过对数值结果的物理分析和讨论,提出了动态峰应力关于冲击速度的经验关系式。     

Flatwise buckling optimization of hexachiral and tetrachiral honeycombs

The flatwise compressive behaviour of tetrachiral and hexachiral honeycombs is analysed, using analytical and Finite Element simulations, both with explicit and implicit formulations. The tetrachiral and hexachiral cells are composed by cylinders connected by four and six tangent ligaments respectively. The ligaments act as mixed stiffeners-elastic foundations during flatwise compressive loading, providing different buckling mode shapes during deformation. The models are compared with experimental results obtained using RP-based honeycombs tested according to ASTM C 393-00 and ASTM C365-00.     

CRUSHING BEHAVIOUR OF ALUMINIUM HONEYCOMBS UNDER IMPACT LOADING

Understanding the crushing behaviour of honeycombs under dynamic loading is useful for crash simulations of vehicles and for design of impacting energy absorbers. Available experimental techniques, however, are not always able to provide satisfactory precision for tests on honeycombs under impact loading. This paper presents a new application of the Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) for testing honeycombs. Viscoelastic bars are used to improve the accuracy of measurements, and a generalised two-strain measurement method is applied to obtain a sufficient measurable maximum crush (up to 80%). Original experimental data (especially in the in-plane crushing directions) under impact loading are then reported. Differences between quasi-static and dynamic results are discussed.     

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。     

Some theoretical considerations on the dynamic response of sandwich structures under impulsive loading

A theoretical solution is obtained to predict the dynamic response of peripherally clamped square metallic sandwich panels with either honeycomb core or aluminium foam core under blast loading. In the theoretical analysis, the deformation of sandwich structures is separated into three phases, corresponding to the transfer of impulse to the front face velocity, core crushing and overall structural bending/stretching, respectively. The cellular core is assumed to have a progressive crushing deformation mode in the out-of-plane direction, with a dynamically enhanced plateau stress (for honeycombs). The in-plane strength of the cellular core is assumed unaffected by the out-of-plane compression. By adopting an energy dissipation rate balance approach developed by earlier researchers for monolithic square plates, but incorporating a newly developed yield condition for the sandwich panels in terms of bending moment and membrane force, “upper” and “lower” bounds are obtained for the maximum permanent deflections and response time. Finally, comparative studies are carried out to investigate: (1) influence of the change in the in-plane strength of the core after the out-of-plane compression; (2) performances of a square monolith panel and a square sandwich panel with the same mass per unit area; and (3) analytical models of sandwich beams and circular and square sandwich plates.