复合材料波纹梁冲击试验与数值模拟

为了探究复合材料波纹梁的吸能性能,针对铺层形式分别为[(±45)3/(0,90)/(±45)3]、[(±45)8]和[(±45)7]的3种复合材料波纹梁元件,进行了动态冲击试验,得到了吸能载荷-位移曲线,并对其损伤破坏形貌进行了分析。以连续损伤力学为基础,结合改进的Hashin损伤判定准则以及损伤演化规律,提出了针对波纹梁耐撞性损伤分析的刚度退化模型,并基于有限元软件平台开发了适用于波纹梁渐进损伤分析的子程序。对3种不同结构形式的波纹梁进行了渐进失效数值分析,模拟得到了能量评估参数比吸能(SEA)和平均载荷值,并将模拟结果与试验结果进行了对比分析。比较分析了不同薄弱环节复合材料波纹梁的吸能能力。结果表明:波纹梁在冲击载荷作用下发生了渐进压溃失效;平均压溃载荷的相对误差不超过12%,能够满足工程应用要求;薄弱环节的设置需综合考虑复合材料性能和铺层方式等因素。     

薄弱环节对复合材料波纹梁吸能能力的影响

薄弱环节设置是复合材料吸能结构的关键技术,良好的设计可以使复合材料结构产生稳定的渐进压溃,从而吸收较多的能量.基于波纹梁准静态轴向压溃实验结果,运用MSC/DYTRAN有限元软件建立了三组不同尺寸的碳纤维-环氧树脂波纹梁的有限元模型,在数值模拟结果与实验结果基本吻合的基础上,分析了不同薄弱环节设置对复合材料波纹梁峰值载荷、吸能能力的影响,并进一步比较了不同薄弱环节设置的波纹梁在以6.5m/s的速度碰撞刚性地面时的能量吸能能力.     

纤维铺层角度对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性影响研究

研究T700/3234复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性受纤维铺层角度变化的影响规律。开展复合材料力学性能试验和薄壁圆管轴向准静态压溃试验。通过对比圆管轴向压溃峰值载荷及比吸能等指标的试验结果,验证建立的复合材料圆管有限元模型和分析方法。基于验证的有限元分析方法,探讨了复合材料纤维铺层角度的变化对薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响规律。结果表明,在准静态轴向压缩载荷下,随着纤维铺层角度的增大,比吸能先增大后减小;纤维角度为±45°时,初始峰值载荷最低,载荷效率最高,圆管易于进入渐进破坏吸能阶段。研究结果可为复合材料纤维铺层角度设计及复合材料薄壁结构有限元建模提供参考。     

圆形薄壁构件准静态径向压缩下的吸能特性分析

为探讨薄壁吸能构件径向压缩下的吸能防冲特性,以圆形薄壁构件为例,采用理论分析、数值模拟和实验研究方法,对构件径向压缩下的吸能防冲特性进行研究,得出以下主要结论:构件压缩过程中具有稳定的变形破坏模式和较为恒定的承载力。内径对载荷波动系数、冲程效率和总吸能影响较小,压溃峰值载荷、平均压溃载荷随内径增加而降低。构件压溃峰值载荷、平均压溃载荷和总吸能均随壁厚增加而增大,载荷波动系数和冲程效率随壁厚增加而降低。长度对载荷波动系数和冲程效率影响较小,构件压溃峰值载荷、平均压溃载荷和总吸能均随长度增加而增大。研究结果为圆形构件尺寸选取提供理论依据,为其它类型薄壁构件径向压缩吸能特性分析提供参考。     

含随机不确定参数复合材料薄壁结构吸能特性评估方法研究

针对复合材料力学性能分散度大、加工精度低,导致复合材料薄壁吸能因素不确定等,提出含随机不确定参数复合材料薄壁结构吸能特性评估方法。考虑材料力学性能及结构特征尺寸的不确定性,评估准静态压溃条件下薄壁圆管峰值载荷及比吸能指标。据试样级材料性能实验确定各参数分布特征;用Plackett-Burman方法选实验点,采用显式求解有限元方法分析选出对比吸能、峰值载荷影响显著的参数;建立影响显著参数及结构吸能特性指标间二阶响应面函数;据参数分布抽样计算获得吸能特性指标分布情况。结果显示,对复合材料薄壁圆管而言,纤维方向拉伸、压缩强度及圆管壁厚、基体压缩强度对其轴向压溃的比吸能及峰值载荷影响显著。     

具有褶皱薄弱段的正弦波纹梁吸能性能研究

薄弱环节的设置对波纹梁吸能性能的影响很大,好的薄弱环节可以降低波纹梁的冲击过载,从而降低结构传递给乘员的过载,并使波纹梁产生稳定的渐进压溃,以吸收更多的能量。提出了褶皱薄弱环节的概念,并对带有褶皱薄弱环节的波纹梁吸能性能进行了研究。对具有弧形薄弱段的波纹梁进行了有限元仿真,验证了仿真分析方法的正确性。在此基础上,建立了带有褶皱薄弱段的正弦波纹梁的有限元模型,对波纹梁几何参数对其吸能性能、坠毁冲击时的最大加速度的影响进行了研究。研究发现:褶皱薄弱环节能够有效降低波纹梁的最大冲击载荷,且对波纹梁吸能性能的影响不大。以上研究结果对波纹梁在吸能结构中的应用具有一定的指导意义。     

VRB变厚板典型结构件性能对比试验

目的研究VRB与等厚板成形件在吸能特性和抗弯性方面的差异。方法通过准静态压溃、动态压溃及三点弯曲试验,获得并对比分析VRB变厚板的帽型梁典型结构件性能。结果变厚帽型梁的特殊结构在进行压溃变形时能起到诱导槽的作用;VRB帽型梁相比同质量的等厚板帽型梁,降低了峰值力,且吸能效果更优;随着帽型梁厚度(质量)的增加,冲击速度的提高,峰值力升高,吸收的能量增大;变厚板帽型梁的过渡区位置、过渡区长度、厚度分布等结构参数对抗弯承载性能有较大的影响。结论变厚板与等质量的等厚板成形件相比,有更好的结构性能特性。     

铺层顺序对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响研究

采用仿真和试验相结合的方法探讨复合材料薄壁圆管在准静态轴向压缩载荷下的失效吸能特性和吸能机理。首先,建立复合材料薄壁圆管"层合壳"有限元模型,通过显式动力学方法求解其在准静态轴向载荷下的压溃失效力学行为。仿真与试验结果在圆管轴向压溃变形过程、初始峰值载荷、平均压溃载荷及比吸能等主要吸能参数上具有很好的一致性,验证了"层合壳"复合材料圆管有限元模型和建模方法的有效性。其次,采用解析模型与仿真分析方法分别对[0/90]_3s、[0/90/0₂/90₂]_s、[0₃/90₃]_s三种不同铺层顺序的复合材料圆管的屈曲载荷与吸能特性进行了对比,进一步分析了铺层顺序对圆管失效吸能特性的影响。研究表明,0°与90°铺层交替程度对复合材料圆管的吸能特性影响较大,保证纤维失效方式在结构宏观失效中占主导地位能够提高材料失效吸收能量。     

变刚度碳纤维/环氧树脂复合材料薄壁圆管轴向压溃响应与破坏机制

通过控制缠绕线型改变轴管纤维角度,制备了一种轴向刚度渐变、压溃稳定的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)变刚度薄壁圆管。对变刚度、[±45°]_n以及[90°]_n三类CFRP缠绕轴管进行轴向准静态压缩测试,结合数字图像相关技术(DIC)及有限元结果,对比三类结构压溃初始应变模式、损伤演化与应力状态结果,研究了变刚度结构的压溃响应与破坏机制。结果表明:不同纤维角度CFRP轴管因轴向刚度不同,压溃的初始破坏与损伤演化过程相异,三类结构产生不同的压溃响应与破坏模式。变刚度区连续变化的大角度纤维能有效地引发分层和"开花式"混合破坏,缓慢释放应变能,使变刚度CFRP轴管吸能效果明显优于其他两类结构。其峰值载荷为66.97 kN,压溃效率为50.8%,比吸能为10.1 kJ/kg,相对于[±45°]_n结构比吸能提升156.35%,压溃效率提升518.76%,相对于[90°])n结构比吸能提升16.9%,压溃效率降低27.3%。     

复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃失效行为

有效的触发机制能诱导并改善复合材料吸能结构的轴向渐进压溃行为,但仍无法解决汽车吸能结构在斜向冲击载荷下的失稳问题。为了提出新的设计来改善失稳行为,对复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃行为和失效机制进行研究。建立引入半圆凹槽触发机制的圆管有限元模型,采用界面和层内非线性损伤演化模型来模拟其真实的压溃失效模式。通过对比模拟和实验对应的轴向压溃载荷、吸能和失效模式来验证圆管的准静态压溃模型。进而,预测斜向压溃角度(10°～50°)对圆管在半圆凹槽触发机制下压溃行为的影响,并详细揭示其轴向和斜向压溃失效机制及其区别。结果表明,压溃载荷、吸能及失效面积随角度增大而明显减小,不稳定的压溃过程使材料失效耗能不充分。圆管在轴向压溃下表现为渐进破坏,而在斜向压溃下以“渐进破坏”向“失稳破坏”过渡为特征,导致斜向压溃载荷与吸能曲线均存在一个过渡。本研究加深了对圆管在外部触发机制下斜向压溃失效机制的理解,为改善斜向压溃失稳行为提供了一定的设计依据。     

泡沫变形模式对泡沫填充圆管压溃行为的影响

将泡沫填充圆管的平均压溃载荷视为圆管、泡沫及圆管与泡沫相互作用三部分之和, 基于作者提出的直链塑性铰改进模型, 研究了两种泡沫变形模式对泡沫填充圆管准静态压溃行为的影响, 得到了新的最优屈曲半波长和平均压溃载荷的理论计算公式, 并研究了两种泡沫变形模式下, 偏心率和塑性角参数对最优屈曲半波长和平均压溃载荷的影响。结果表明, 泡沫变形模式 Ⅰ 下的平均压溃载荷略高于泡沫变形模式 Ⅱ 下的相应值, 泡沫变形模式对最优屈曲半波长影响较大; 与文献[14]相比, 所得平均压溃载荷理论预测值与试验结果吻合得更好。      

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。     

矿用防冲方形折纹薄壁构件吸能特性数值分析

为有效防治煤矿冲击地压,或在一定程度上减小冲击地压事故造成的损失,提出了一种矿用防冲方形折纹薄壁构件,构件防冲体现在构件被压溃过程中吸收冲击能和压溃空间给煤岩提供了一定的能量释放空间。采用ABAQUS有限元软件模拟了不同壁厚、轴向堆积不同模块个数的构件的吸能特性,并与常规方形薄壁进行了对比分析。结果表明:1方形折纹薄壁构件与常规方形薄壁构件相比有较低的压溃峰值载荷,有较高的总吸能和比吸能,防冲性优势明显。2减小折纹薄壁构件的壁厚和减小模块长度来增加构件轴向模块个数均能有效降低压溃峰值载荷,但同时也降低了总吸能和比吸能。根据模拟结果,选定了矿用防冲方形折纹薄壁构件尺寸,并进行了实验研究,证明了模拟的准确性。防冲构件与现有支架相结合使用,可使现有支架成为顶梁防冲支架、底梁防冲支架、两帮防冲支架、防冲液压支柱等。     

柱形波纹压溃元件轴向冲击力学行为研究

针对冲击载荷作用下多层柱形波纹压溃元件的力学特性分析非常困难的问题,结合柱形波纹压溃元件的冲击压溃变形特征,将柱形波纹压溃元件的变形划分为弹性变形阶段、壁面接触前的塑性变形阶段、混合塑性变形阶段、壁面接触过程中的塑性变形阶段,研究了轴向冲击下柱形波纹压溃元件变形抗力的理论计算方法。利用Matlab Simulink软件编程,计算分析了不同高度落锤冲击柱形波纹压溃元件产生的变形抗力与压溃量之间的映射特性,并与实验结果进行了比较。研究结果表明,在不同跌落高度冲击下,理论计算的变形抗力与实验结果吻合较好,证明所提出的理论分析方法是合理的,对波纹压溃缓冲元件的工程应用具有指导意义。     

引发角对碳纤维/环氧复合材料圆管件轴向压溃性能的影响

研究了碳纤维增强高韧环氧树脂5288复合材料薄壁圆管件的轴向压溃行为和引发角尺寸之间的关系.对15°,45°,60°引发角的相同尺寸试件分别进行轴向压溃试验,记录了试验过程中的结构载荷力-位移曲线,对照各组不同引发角的管形件轴向压溃过程的峰值压溃载荷、最小压溃载荷后发现,当引发角为60°时,结构的峰值压溃载荷最高,最小压溃载荷最低.对试验件失效后组织进行微观分析后发现,对应于不同引发角,由于接触状态不同,圆管件发生了不同方式的压溃失效,导致了结构吸能力-位移曲线的变化.     

AZ31B镁合金挤压矩形管的轴向压溃试验与吸能特性分析

对AZ31B镁合金挤压矩形截面管进行准静态轴向压溃试验,研究其破坏模式和吸能特性,并探索管件长度、截面尺寸、倒角诱导因素等对吸能特性的影响。结果发现镁合金矩形管轴向压溃时存在两种破坏模式:整体破坏模式和渐进破坏模式,无倒角时管件发生整体破坏,而管端有倒角时主要从倒角端开始发生渐进破坏。渐进破坏模式有利于管件吸收能量。镁合金管件具有良好的吸能特性,其比吸能优于钢管、铝合金管和复合材料管。     

薄壁开孔圆管在轴向荷载作用下的理论研究

研究薄壁开孔圆管的轴向耐撞性有助于其在缓冲、吸能领域的广泛应用。通过分别考虑开孔区域和未开孔区域的能量吸收特征并引入材料的应变强化效应,根据塑性铰理论建立了轴向荷载下开孔圆管轴对称压溃模式的理论模型,得到了弯曲应变能、拉伸应变能、平均压溃力、比吸能的解析表达式。分析结果表明:该理论模型的预测结果与数值和实验结果相吻合;正则化平均压溃力会随半皱褶长细比的降低而显著增加;单层孔数对正则化平均压溃力的影响会随管壁厚度的增加或孔半径的减小而降低;比吸能可通过减少单层孔数或减小孔半径提高。     

铝蜂窝在压-剪组合荷载作用下的力学特性研究

对铝蜂窝在压-剪组合荷载作用下的变形特征进行试验研究,并基于试验建立铝蜂窝数值计算模型,分析各参数对铝蜂窝在压-剪组合荷载作用下力学行为的影响。结果表明:在TL面内加载时,蜂窝变形逐渐由只在一端(加载端)变形过渡到同时在两端(加载端和非加载端)变形。在TW面加载时,蜂窝主要在一端(加载端)产生变形,并且更容易出现脱胶破坏;蜂窝峰值荷载、平均荷载以及比能与l/t值呈负相关关系。l/t值相同时,单元边长l、单元壁厚t越小,则蜂窝平均荷载和比能越大。单元边长l对蜂窝平均荷载的影响要大于单元壁厚t对平均荷载的影响;增大蜂窝高度会降低结构吸能效率。     

波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料结构准静态压缩吸能特性

随着车船运输量与日俱增,由此引发的车船撞击结构物的事故频发,造成严重的生命财产损失与结构破坏,亟需为桥梁等结构物设置防护吸能装置。该文提出了一种新型波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料吸能结构。该复合结构以聚氨酯泡沫为芯材,玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber reinforced polymer,简称GFRP)为面板,在波纹型泡沫的间隙铺设双轴向玻璃纤维布,利用真空导入工艺成型。通过波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料结构的准静态压缩试验,研究了波纹腹板与面板壁厚以及波长对夹芯结构破坏模式、承载能力以及吸能特性的影响。试验结果表明：腹板壁厚较大、波长较短的试件吸能效果最优。此外,对试验工况进行了有限元数值模拟,分析了腹板壁厚与泡沫密度因素对试件承载力的影响,为其在防撞领域的应用提供一定依据。     

复合材料波纹夹层圆柱壳设计及轴压性能

结构轻量化是航空航天发展的永恒主题, 波纹夹层圆柱壳作为常见的轻质结构形式, 在航空航天领域具有很大的发展空间。采用模具热压法, 制备出纵向和环向碳纤维复合材料波纹夹层圆柱壳, 其中芯子整体成型, 面板分瓣制备。采用经典板壳屈曲理论, 分析纵向和环向波纹夹层圆柱壳的轴压力学性能, 得到了欧拉屈曲、整体屈曲、局部屈曲和面板压溃4种失效模式下的极限载荷理论公式。绘制出结构的失效机制图, 直观显示出了失效模式与试件尺寸之间的关系。通过对纵向和环向波纹夹层圆柱壳的轴向压缩试验, 获得了结构的载荷-位移曲线及局部屈曲和面板压溃2种失效模式。结果表明:纵向波纹夹层圆柱壳的轴向承载能力及载荷/质量效率优于环向波纹夹层圆柱壳, 在一定范围内增加圆柱壳面板的厚度、减小圆柱壳的高度可提高结构的载荷/质量效率。