基于拓扑优化的变密度蜂窝结构参数化设计及冲击性能研究

针对现有梯度蜂窝结构的经验式、非连续变梯度等设计方法，无法充分发挥梯度设计对蜂窝结构冲击性能提升效果的问题。基于变密度拓扑优化方法，提出了一种参数化设计的拓扑优化密度映射蜂窝结构，通过改变映射系数、相对密度构建了相应的拓扑优化密度映射蜂窝结构模型。研究了不同冲击速度下，映射系数、相对密度对其面内变形模式、力学响应和能量吸收性能的影响。结果表明，映射系数、相对密度对不同冲击速度下的拓扑优化密度映射蜂窝的面内变形模式具有显著影响，增大映射系数有益于提高其平台应力和比吸能，与相同质量、尺寸的标准蜂窝冲击性能对比结果显示：拓扑优化密度映射蜂窝的峰值应力降低了16.9%、比吸能提高了29.1%。研究表明，将变密度拓扑优化方法引入至梯度蜂窝结构的设计可有效提高其冲击性能。     

分层屈服强度梯度蜂窝材料的动力学性能研究

基于功能梯度材料的概念,建立了具有固定相对密度的分层屈服强度梯度圆形蜂窝材料模型。在此基础上具体讨论了屈服强度梯度和冲击速度对圆形蜂窝材料变形模式及能量吸收性能的影响。研究结果表明,屈服强度梯度的变化使得蜂窝材料的局部变形模式发生了变化。中低速冲击下,分层梯度蜂窝材料冲击端的动力响应表现出分段平台特性。合理地调节屈服强度梯度的变化可以减小初始峰值应力,并能够有效地控制进入被保护结构的应力值,同时实现蜂窝材料单位质量能量吸收率的控制。研究结果可为功能梯度蜂窝材料的研究和设计提供 参考。     

功能梯度蜂窝材料的面内冲击性能研究

根据功能梯度特性的概念,建立了具有递变屈服强度梯度特性的圆形蜂窝结构数值仿真模型。在此模型的基础上详细讨论了递变屈服强度梯度和冲击速度对圆形蜂窝材料面内冲击性能的影响。研究结果表明递变梯度值对蜂窝结构的变形模式有较大影响。通过合理地选择蜂窝结构的递变屈服强度梯度值,进入被保护结构的应力值明显降低,蜂窝材料的能量吸收能力也得到有效控制。该结果能为完善屈服强度梯度蜂窝材料的研究和设计提供理论指导。     

蜂窝材料应力平台区的塑性屈曲变形模式

本文对弹塑性蜂窝材料面内单轴加载时的平台应力及其对应的变形模式进行了理论分析.结果表明:当蜂窝材料胞壁抗弯曲能力提高时,一种新的变形模式一塑性屈曲有可能发生.对于理想弹性蜂窝材料,讨论了胞体几何形状及材料性能对蜂窝材料面内平台应力及变形模式的影响.      

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。     

含双自由度周期振子的平行并联梁弯曲振动带隙特性

为探究新型周期结构的低频多带隙特性，提出了周期布置双自由度振子的局域共振型平行并联梁结构。利用平面波展开法，计算了无限周期结构的弯曲振动能带结构。采用有限元法计算了有限周期结构的振动传输曲线，并通过模态分析和变形模式研究了带隙产生机理。建立了双自由振子并联梁的简化模型，推导了带隙起止频率简化公式，研究了结构参数对带隙特性的影响规律。最后制作了模型试件并进行传递特性分析，验证了理论和有限元法预测带隙的准确性。研究表明，仅改变两梁之间连接弹簧的刚度，可以有效调节带隙频率，为双自由度振子双梁周期结构的减振控制提供参考。     

空间冗余索驱动并联机构的耦合振动特性研究

针对大型空间结构的在轨装配任务，提出了索驱动并联机构的方案，对其振动特性进行了研究。基于微分变换推导了机构的刚度矩阵，在此基础上建立了索并联机构的振动方程。通过理论计算分别分析了运动平台的位姿以及绳索拉力水平对机构振动特性的影响，并通过仿真研究了不同工况下机构的振动规律。搭建了空间冗余索并联机构的缩比样机并开展了机构的振动特性试验，进一步验证了振动模型的正确性以及仿真结果的有效性。结果表明：运动平台在中心位置处时各阶模态是解耦的，不同方向的振动相互独立；在边缘位置处，各阶模态具有强耦合性，单方向的干扰力会引起多个方向的振动，且振动频率以一、二阶固有频率为主。研究结果对于索并联机构的振动控制具有指导意义。     

水泥混凝土路面板湿度翘曲形成机理及变形计算

混凝土板内湿度梯度引起的板向上翘曲在车辆荷载耦合作用下可以导致路面板产生早期断裂,所以研究湿度梯度对板变形及应力的影响一直都是道路工程领域亟待解决的问题。但由于缺乏对混凝土路面板内部湿度梯度形成机理的统一认识,及混凝土湿度与变形本构关系的缺失,上述问题一直悬而未决。目前混凝土路面板的变形和应力计算,常常忽略湿度梯度的影响。因此,不能反映处于自然环境中的路面板的实际变形、受力状态。该研究基于水泥基胶凝材料本身特性,并考虑混凝土中水分扩散、吸附的影响,辨别、讨论影响水泥混凝土路面内部湿度状态的三个主要因素,提出混凝土路面板湿度梯度形成机理,给出湿度与变形的本构关系,建立简化的水泥混凝土路面湿度翘曲及应力计算方法。     

翼面效应对并联振荡水翼获能功率的影响

为分析翼面效应对并联振荡水翼获能功率的影响，基于重叠网格技术建立了水翼并联运动的数值模型，并进行了有效性验证。利用所建的数值模型针对小间距下双水翼的水动力性能进行了分析，研究了翼间距对双翼翼面效应(wing-in-surface-effect)的影响；并根据翼面效应的增益效果，进一步研究了三水翼运动的复杂问题，并计算了其平均功率系数。研究结果表明：减小水翼最小间距会增强翼面效应；双翼系统的平均功率系数会随着水翼间最小间距的减小而增大；三翼系统的平均功率系数大于双翼系统。通过以上研究可知：翼面效应会提高水翼的平均功率系数，水翼个数的增加会提高水翼的平均功率系数。     

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。     

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。     

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 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。     

凹六边形蜂窝纸板面内承载性能有限元仿真分析

目的 探究以凹六边形为芯层的蜂窝纸板的力学性能,为凹六边形蜂窝纸箱的运输包装设计提供理论基础.方法 运用有限元仿真,分析不同结构参数影响下的凹六边形蜂窝纸板的面内承载性能.结果 当水平胞壁的长度减小,其他结构参数保持不变,凹六边形蜂窝纸板面内方向上的平台应力增大,能量吸收平台阶段标准化应力增大,最佳吸能点也上升.结论 凹六边形蜂窝纸板结构参数的变化对其平台应力和能量吸收特性有深远影响,其性能研究促进了蜂窝纸箱的进一步发展.     

奇偶层交错对瓦楞纸板缓冲性能的影响

目的研究在奇偶层交错方式下,交错角度对瓦楞纸板缓冲性能的影响。方法将单瓦楞纸板按奇偶层交错的方式进行多层粘合以制备试样,交错角度分别为0°,30°,45°,60°和90°,采用共面静压、侧向静压和共面冲击的试验方法,对各试样共面和侧向的缓冲性能进行研究。结果与奇偶层不交错的样品相比,在共面静压下,奇偶交错使瓦楞纸板的初始峰应力、平台应力、密实化单位体积变形能和密实化比吸能分别提高了4.15%~9.38%,6.49%~10.39%,5.00%~7.94%和7.43%~10.81%;在沿瓦楞方向侧向静压下,抗压强度和平台应力分别减少了1.18%~14.34%和0.89%~20.66%,密实化比吸能和密实化单位体积变形能与交错角度近似呈二次函数关系。在共面冲击载荷下,当交错角度一定时,总能量吸收与冲击能近似呈一次函数关系。结论奇偶层交错一定角度能改善瓦楞纸板的共面缓冲性能,降低其沿瓦楞方向的侧向缓冲性能。     

Mechanical Response and Energy Absorption of 316L Stainless Steel Body-Centered-Cubic Functionally Graded Lattice Structures under Quasistatic Compressive Test

Five different density gradient variation strategies are proposed for body-centered-cubic (BCC) lattice structures in parallel to the loading direction prepared by selective laser melting with 316 L stainless steel as the building material, and the mechanical properties, deformation behavior, and energy absorption capacity of lattice structures with different density gradient variations and uniform lattice structure under compressive loading are investigated and compared. The results show that the elastic modulus and compressive strength of the uniform lattice structure are better than those of the lattice structure with density gradient parallel to the loading direction, provided that the relative densities are similar. However, through a reasonable design of density gradient, the lattice structure with density gradient parallel to the loading direction can obtain higher plateau stress than the uniform lattice structure and increase the onset densification strain to a certain extent, which obviously improves the energy absorption capacity of the lattice structure. The results obtained by finite-element calculations are in good agreement with the experimental results and can better restore the deformation behavior of the lattice structure under compressive loading. This work provides inspiration for the design of the density gradient of the lattice structure.     

新型负泊松比多孔吸能盒平台区力学性能

提出了一种具有负泊松比效应的汽车前纵梁吸能盒(NPRC)结构,通过对元胞平台区的失效模式和平台应力的分析,研究了此结构在失效时的力学性能,即等效弹性模量和平台应力在面内加载过程中均能得到一定程度的增强,表现出较好的能量吸收能力。根据NPRC元胞在平台区的力学模型,分别建立了发生弹性屈曲和塑性塌陷时的临界应力公式,得出塑性塌陷是该结构的主要失效模式。通过Matlab程序建立了NPRC元胞的参数化有限元模型,研究了元胞几何参数与平台应力的关系,即元胞的平台应力与长度系数和元胞夹角呈反比,与厚度系数呈正比。通过NPRC结构3×3样件的面内轴向准静态压缩实验验证了有限元分析结果,实验结果表明:NPRC样件等效负泊松比为-11.97,产生密实化现象,平台应力的峰值随着应变的增加逐渐增大,这对提高能量吸收性能具有重要的研究意义。     

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。     

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。