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...     

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。      

内凹弧形蜂窝夹芯板低速弹道冲击试验与数值仿真

面向弹道冲击防护，设计制备了1060铝合金材质的内凹弧形(re-entrant circular, REC)和传统内凹(re-entrant, RE)六边形蜂窝夹芯板。采用钢质圆柱弹低速冲击试验结合有限元数值仿真，研究对比了两类蜂窝夹芯板的低速弹道冲击动态响应与防护性能。进而，利用经验证的有限元模型，仿真分析着靶速度对两类蜂窝夹芯板的低速弹道冲击最大永久压缩量、局部泊松比值和各部件吸能占比的影响。最后，分析了REC蜂窝胞元的圆弧胞壁半径、胞元长度等结构参数对夹芯板低速弹道冲击响应的影响。结果表明：相比RE蜂窝，REC蜂窝夹芯板在相同弹道冲击载荷下最大永久压缩量更小，抗弹性能更优，并且低速下优势更显著；随着胞元长度和圆弧胞壁半径减小，REC蜂窝夹芯板的抗弹性能可进一步提升。     

低速冲击下RC梁的动态响应和破坏机理研究

考虑材料非线性和应变率相关性等因素的影响,运用LS_DYNA非线性有限元软件对RC梁横向低速冲击试验进行了数值模拟,从动态损伤扩展、冲击能量转化等方面研究了RC梁的冲击响应过程和破坏机理。结果表明：RC梁的冲击响应过程可分为局部响应、整体响应和回弹变形三个阶段;RC梁的损伤主要发生在局部响应阶段,梁体变形主要发生在整体响应阶段;局部响应阶段的冲击力完全由梁体惯性力平衡,整体响应阶段的变形模式和截面弯矩分布与刚塑性模型基本相同;受拉钢筋变形耗能是RC梁最主要的冲击耗能机制。     

金属蜂窝夹芯板疲劳行为的试验研究

金属蜂窝夹芯板结构在航空、航天领域中已得到了广泛的应用.本文首先简单介绍了金属蜂窝夹芯板的结构及特点,然后针对两个不同方向的金属蜂窝夹芯板进行了三点弯曲疲劳试验,测试了在不同应力水平下夹芯板的疲劳寿命,得到了该夹芯板的三点弯曲疲劳极限.试验结果表明,在W方向,夹芯板的主要疲劳破坏模式为蜂窝芯子之间的脱粘断裂,在L方向,夹芯板的主要疲劳破坏模式为蜂窝芯子和盖板之间焊点的开裂.     

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。     

梯度铝蜂窝夹芯板的力学行为

梯度分层铝合金蜂窝板是一种有效的吸能结构,本工作在梯度铝蜂窝结构的基础上根据梯度率的概念,通过改变蜂窝芯层的胞壁长度,设计了4种质量相同、梯度率不同的铝蜂窝夹芯结构。通过准静态压缩实验,并结合非线性有限元模拟准静态及冲击态下梯度铝蜂窝夹芯结构的变形情况及其力学性能,分析对比了相同质量下梯度铝蜂窝夹芯结构在准静态下的变形模式以及冲击载荷下分层均质蜂窝结构和不同梯度率的分层梯度蜂窝结构的动态响应和能量吸收特性。结果表明:在准静态压缩过程中,铝蜂窝梯度夹芯板的变形具有明显的局部化特征,蜂窝芯的变形为低密度优先变形直至密实,层级之间的密实化应变差随芯层密度的增大而逐渐减小;在高速冲击下,梯度蜂窝板并非严格按照准静态过程中逐级变形直至密实,而是在锤头冲击惯性及芯层密度的相互作用下整体发生的线弹性变形、弹性屈曲、塑性坍塌及密实化;另外,在本工作所设计的梯度率中,当梯度率为γ₁=0.0276时,梯度蜂窝夹芯板的吸能性达到最好,相较于同等质量下的均质蜂窝夹芯板,能量吸收提高了10.63%。     

纤维金属层板低速冲击试验和数值仿真

为开展纤维金属层板（FML）低速冲击有限元数值仿真研究,改进了传统的连续损伤力学（CDM）模型,然后对FML落锤低速冲击试验进行数值仿真,并与实验结果进行对比验证。分别采用5.11 J 和10.33 J冲击能量对FML进行落锤低速冲击试验,得到冲击载荷、位移和能量时程曲线,分析FML的动态响应和失效模式。建立了考虑塑性应变、压缩刚度衰减特征和纤维拉伸断裂损伤的新CDM模型,描述S2-玻璃纤维/环氧树脂（S2-galss/epoxy）复合材料的损伤本构,并编写VUMAT子程序,通过ABAQUS/Explicit求解器对FML落锤冲击试验进行数值仿真。研究结果表明：低能量冲击条件下,FML背面主要为鼓包和裂纹等失效模式,位移峰值随冲击能量的提高而增加,冲击载荷峰值在穿透前也随冲击能量的提高而增加;采用改进的CDM模型描述FML中S2-galss/epoxy复合材料铺层后,有限元数值计算可以较好地预测FML低速冲击载荷下的动态响应;有限元数值仿真结果表明,FML中第2层复合材料铺层发生的纤维断裂损伤比第1层的更严重。     

爆炸冲击下水底隧道的动态响应及毁伤模式研究

考虑炸药起爆、冲击波传播、冲击波与结构的相互作用以及结构的动态响应等复杂过程,基于Lagrange-Euler耦合算法,建立了水底隧道水下爆炸的全耦合数值仿真模型。通过与爆炸试验结果进行对比,验证了数值模型的可靠性;研究了水下爆炸冲击荷载作用下的水底隧道的毁伤破坏过程、空间分布规律及破坏模式。结果表明:水底隧道的破坏模式不仅与隧道自身的动力特性有关,还取决于起爆距离及炸药当量等;隧道的破坏模式为局部冲切或剥落破坏、弯曲破坏伴随着局部剥落破坏以及整体弯曲破坏。     

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。     

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。     

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。     

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。     

爆炸冲击下水底隧道的动态响应及毁伤模式研究

考虑炸药起爆、冲击波传播、冲击波与结构的相互作用以及结构的动态响应等复杂过程,基于Lagrange-Euler耦合算法,建立了水底隧道水下爆炸的全耦合数值仿真模型。通过与爆炸试验结果进行对比,验证了数值模型的可靠性;研究了水下爆炸冲击荷载作用下的水底隧道的毁伤破坏过程、空间分布规律及破坏模式。结果表明:水底隧道的破坏模式不仅与隧道自身的动力特性有关,还取决于起爆距离及炸药当量等;隧道的破坏模式为局部冲切或剥落破坏、弯曲破坏伴随着局部剥落破坏以及整体弯曲破坏。     

基于ANSYS的铝蜂窝夹芯板低速冲击仿真模拟研究

简要介绍了蜂窝夹芯板的结构及特点,利用ANSYS有限元模拟软件模拟分析了小球低速冲击对蜂窝铝板的损伤变形,在冲击条件参数不变的情况下,研究了蜂窝铝板结构参数(蜂窝芯边长、蜂窝芯壁厚、蒙皮板厚)对冲击变形以及吸收能量的影响。结果表明,冲击速度越快,能量吸收系数越高,蜂窝芯厚度、蒙皮板厚度增加和蜂窝芯边长减小均使蜂窝铝板耐冲击能力有所提升。     

构型对正多边形蜂窝异面缓冲性能的影响

目的 利用有限元法研究应变率不敏感的双线性各向同性应变硬化正多边形（等边三角形、正方形、正六边形和正八边形）蜂窝的异面缓冲性能。方法 建立基于正多边形蜂窝特征单元的异面冲击分析有限元模型，提出最佳应变这一缓冲性能评价新指标，基于此重新定义各能量吸收评价指标，形成新缓冲性能评价方法。结果 以此获取不同相对密度的各正多边形蜂窝在不同冲击速度下的变形模式和应力-应变曲线，以及平均平台应力、比能量吸收和冲击力效率等评价指标值，并进行了分析。结论 给定相对密度下，正八边形蜂窝具有最大的异面平均平台应力；正多边形蜂窝的比能量吸收与冲击速度成二次关系；定密度的正六和八边形蜂窝的冲击力效率优于等边三角形和正方形蜂窝。     

矩形与X形组合蜂窝异面缓冲性能的研究

目的 为了研究矩形与X形组合蜂窝材料在异面冲击载荷下的缓冲吸能特性,建立矩形与X形组合蜂窝的有限元模型,分析在不同冲击条件下组合蜂窝结构的能量吸收、动态平台应力及其变形模式。方法 借助ANSYS/LS–DYNA软件建立可靠的基于单元阵列的异面缓冲性能有限元分析模型,基于该模型在不同结构参数和冲击速度下进行异面动态冲击仿真分析,将结果以图表等形式进行展示。结果 组合蜂窝结构的异面缓冲性能较矩形、X形蜂窝结构更为优异。当相对密度一定时,随着扩展角的增大,组合蜂窝结构的缓冲性能会有一定提升。扩展角为90°的组合蜂窝结构与扩展角为70°、50°和30°的组合蜂窝相比,其单位体积能量吸收值分别提高了3.77%、4.53%和26.95%。异面动态平台应力与冲击速度和结构参数之间,可用某一确定的曲线关系进行拟合。结论 矩形与X形蜂窝之间会产生较强的耦合效应,使组合蜂窝结构的接触载荷和总能量吸收值均大于两者之和;冲击速度对变形模式的影响较大,在冲击载荷下存在3种变形模式,但壁厚的改变对变形模式并未产生明显影响。当扩展角和冲击速度一定时,组合蜂窝异面动态平台应力与壁厚边长比呈二次曲线关系;给定扩展角和壁厚时,异面动态平台应力与冲击速度呈一次曲线关系。     

铝合金圆波纹夹芯板对半球形体的低速冲击响应特性及失效机制

为研究铝合金圆波纹夹芯板在低速冲击下的吸能特性、变形情况和失效机理,利用落锤进行低速冲击试验,揭示冲击位置和初始冲击能量对圆波纹夹芯板低速冲击响应特性的影响。冲击位置分别为波纹夹芯板的节点和基座,冲击能量范围为120～400 J。实验结果表明,夹芯板主要发生拉伸断裂失效,冲击能量和位置对夹芯板动态载荷响应存在显著的影响。夹芯板的最大冲击载荷随着冲击能量增加而增加,并且节点冲击的最大载荷高于基座冲击的最大载荷,两者的差距随冲击能量增加而减小。夹芯板节点位置冲击的载荷可以迅速达到峰值,而基座位置冲击的载荷需要经过一个过程才能达到峰值。     

基于非线性有限元法的船舶-冰层碰撞结构响应研究

采用非线性有限元法建立船舶与冰层的三维有限元模型,对船-冰碰撞进行了数值模拟。研究了船舶在不同速度下与不同厚度冰层碰撞的动态结构响应,分析了碰撞冰力的大小、船艏结构的变形损伤和能量变化等特性。得到了船舶初速度、冰层厚度等因素对船-冰碰撞载荷的影响,对分析船舶与冰体碰撞的结构性能具有参考价值。     

冲击载荷作用下火工分离保护装置的建模与分析

为了模拟空间火工分离保护装置冲击载荷下的动力学特性,首先,建立了该保护装置的简化模型,计算得到火工分离体的初速度,推导了装置的冲击变形和变形能公式;保护装置分别采用2A12、TC4、蜂窝夹层材料,建立三种材料的多线性本构模型,采用显式动力学求解步分析其冲击响应特性,分析可知,蜂窝夹层材料具有最佳的能量吸收特性,2A12的能量吸收特性介于蜂窝夹层材料和TC4之间,其塑性变形量适中;应变能释放和冲击碰撞的耦合分析可知,应变能占比小,体现为振荡衰减的过程,结构的冲击响应特性主要由碰撞冲击导致;试验表明,该火工分离保护装置的瞬态动力学过程与分析一致,局部最大应力为302MPa,冲击响应谱最大值为3242g,满足有效载荷的可靠解锁分离要求。