列车随机激振荷载的数值模拟

列车荷载模拟是列车诱发环境振动分析中的首要步骤,同时列车荷载模拟的合理性也直接影响着环境振动的分析结果.针对目前工程中较为常用的两种列车随机激振荷载数值模拟方法进行了研究,分析了这两种方法的局限性.通过引入频响函数及轨道不平顺谱优化了列车荷载数值算法及计算模型,并在数值计算中采用傅里叶快速数值算法,提高列车荷载的模拟的效率和可靠性.最后,通过实际算例的模拟论证了这两种新方法的合理性和高效性.     

纳米微球增强聚氨酯泡沫的制备及抗冲击应用

目的获得基于纳米颗粒增强的冲击吸能材料。方法基于剪切增稠液体技术,将纳米微球分散于多元醇基体中,制备中低密度的软质聚氨酯泡沫材料,利用SEM、SHPB、落锤冲击和爆炸冲击波试验分析材料的结构、冲击吸能特性和冲击波衰减特性。结果纳米微球增强聚氨酯泡沫材料具有优异的冲击吸能特性和冲击波衰减能力。结论纳米微球增强聚氨酯泡沫材料可以应用于护具装备、缓冲包装和冲击波防护领域。     

E玻纤环氧树脂基复合材料面向和侧向抗冲击性能的研究

由面向和侧向冲击试验获得E玻璃纤维环氧树脂基复合材料在5.24m/s冲击速度下的载荷-时间曲线,通过对面向和侧向抗冲击能力的比较及断口形貌分析,研究其各自的断裂机制。结果表明:侧向冲击试样冲击损伤门槛值P1及峰值P2均明显高于面向冲击试样;冲击试验后面向冲击层合板试样存在明显的裂纹和层间分离,而侧向冲击试样不存在层间分离,其原因是层间本身结合力较小,面向冲击试样层间所受剪应力与板面平行,易发生层间分离,而侧向冲击试样所受剪应力与板面垂直,不易发生层间分离。由于层间分离削弱了材料的比强度和比模量,因此侧向抗冲击性能比面向抗冲击性能好。     

蜂窝纸板异面动态冲击性能的实验分析

目的以六边形蜂窝纸板为研究对象,研究厚度对其异面冲击性能的影响。方法通过动态冲击实验来分析接触力、最大接触力、最大位移、最大应变、吸收能与单位厚度冲击能之间的关系,研究厚度为30,40,50和60 mm等4种蜂窝纸板的异面冲击力学性能。结果当冲击能一定时,随着蜂窝纸板厚度的增加,接触力逐渐减小,接触时间逐渐变长;当单位厚度冲击能一定时,厚度与最大位移和吸收能成正比例关系,厚度与接触力、最大接触力、最大应变成反比例关系;对于任一厚度的蜂窝纸板,最大接触力、最大位移、最大应变、吸收能随单位厚度冲击能的增加而增加,且与其呈线性关系。结论当冲击能相同时,不同厚度蜂窝纸板的吸收能几乎相同,可知蜂窝纸板吸收能量的能力与蜂窝纸板的厚度无关,取决于冲击能量的大小。     

薄壁扁球壳在撞击载荷下的动态响应和吸能特性研究

对薄壁扁球壳结构撞击刚性板的动态响应和吸能特性进行了研究。通过不同材料特性和撞击速度下半径R与厚度t比值较大（R／t〉250）的扁球壳与刚性板的撞击试验，分析了此类球壳结构的动态响应和吸能特性。以能量守恒为基础，结合大变形薄壳理论和塑性铰方法，建立了撞击力与变形关系、撞击初速度与最大压缩位移的理论分析模型。通过理论计算和试验结果的对比，验证了理论分析模型的正确性，可以满足工程分析的需要。     

内含气体对蜂窝纸板异面动态冲击性能的影响

目的以六边形蜂窝纸板为对象,研究内含气体对其异面冲击性能的影响。方法通过动态冲击实验分析内含气体对接触力、最大接触力、最大位移、最大应变和吸收能的影响,得出不同孔隙率时,蜂窝纸板的接触力-时间曲线,最大接触力、最大位移、最大应变、吸收能与冲击能曲线和吸收能-孔隙率曲线。结果在给定冲击能的情况下,最大接触力与吸收能随着孔隙率的增大而减小,最大位移及最大应变随着孔隙率的增大而增大。在孔隙率一定时,最大接触力、最大位移、最大应变和吸收能随冲击能线性增大。此外,冲击能越大,接触力达到峰值的时间越短,接触持续时间越长。结论在动态冲击实验中,内含气体使蜂窝纸板吸收冲击能的能力明显增强,并且当冲击能一定时,孔隙率越大,蜂窝纸板越容易被压变形,吸收能越少。     

Bioinspired Golden Spiral Shapes on Crushing Protection Behaviors of Tubular Structures

Advanced structure design for energy absorption is a long-lasting pursuit due to its fascinating scientific merit in mechanics and important engineering application. Curves, a type of mathematical variation in geometry, are widely adopted in the biological system and biomaterial structures after long-time nature evolution toward optimization and adaption. Inspired by nature, a novel type of tubular structure is designed with golden spiral curvature. With the variations in the hierarchy of the supporting spirals and the number of arms, a maximum of 38.8% increase is demonstrated in performance over an uncurved counterpart structure. The computational modeling reveals that the additional added golden spiral arms within the tube enhance the rigidity and increase the energy dissipation via progress buckling involved by additional materials such that the energy absorption upon crushing is significantly improved. Theoretical models then provide intrinsic underlying mechanics analysis with more intuitive design guidance for such structures. Results develop an efficient yet simple design based on widely accepted tubular structure design for impact protection, enrich the mechanistic understanding of the nonlinear buckling behaviors, and provide applicable design guidance for engineering structures.     

Development of a 3-component Load Cell for Structural Impact Testing

This paper describes the development of a 3-component load cell for structural impact testing. The test specimen is mounted directly on the load cell, which measures the axial force as well as two orthogonal bending moments. Basically, the load cell is a stocky cylinder with thick end flanges machined in one piece of high-strength steel. The load measurement system is based upon four strain gauges glued to the central shaft. The signal from each strain gauge is sampled separately. Afterwards, this data is used to compute the axial force and the bending moments. The load cell was originally developed for testing of automotive components.     

Impact energy absorption characteristics of composite structures

The tensile and compressive tests of glass–epoxy composites with 1–200 s⁻¹ strain rates which are typical strain rate range during automobile crash accidents were performed in order to measure the strength variation with respect to strain rate. The tests were performed using both a horizontal type pneumatic impact tester and a conventional dynamic universal test machine with strain-rate-increase mechanisms. Also, the impact energy absorption characteristics of glass fiber reinforced composites were estimated using the newly proposed progressive impact fracture model. From the experiments and predictions, it was found that the proposed method predicted relatively well the experimental results.     

成层式铝蜂窝夹芯结构冲击响应试验研究

以牺牲层设计为背景,提出一种成层式铝蜂窝夹芯结构。通过两种能级的落锤冲击试验,得到不同组合试件的局部冲击响应结果。根据能量吸收、荷载峰值、冲头位移和背板挠度的对比分析,得出以下结论:结构在相对较低能级(17~83J)的冲击作用下,除了永久塑性变形,也伴随着一定的弹性变形;同时,在芯层质量相同的前提下,可优先选择胞元较小、高度较低的蜂窝作为单层结构的芯层;全贯穿临界值应当介于83~119J之间,在设计牺牲层时,局部冲击的极限能量设计值应当低于该临界值;芯层的相对密度对抗局部冲击性能的影响较为明显;根据牺牲层的设计标准,在本文的局部冲击试验研究范围内,AB、BA、ABA型结构在综合指标上具有相对优势。研究结果可为成层式铝蜂窝夹芯结构在防护工程中的应用提供参考。     

3D Printed Tubulanes as Lightweight Hypervelocity Impact Resistant Structures

Lightweight materials with high ballistic impact resistance and load‐bearing capabilities are regarded as a holy grail in materials design. Nature builds these complementary properties into materials using soft organic materials with optimized, complex geometries. Here, the compressive deformation and ballistic impact properties of three different 3D printed polymer structures, named tubulanes, are reported, which are the architectural analogues of cross‐linked carbon nanotubes. The results show that macroscopic tubulanes are remarkable high load‐bearing, hypervelocity impact‐resistant lightweight structures. They exhibit a lamellar deformation mechanism, arising from the tubulane ordered pore structure, manifested across multiple length scales from nano to macro dimensions. This approach of using complex geometries inspired by atomic and nanoscale models to generate macroscale printed structures allows innovative morphological engineering of materials with tunable mechanical responses.     

冲击荷载下YGG型钢丝绳隔振器耗能特性研究

基于YGG型钢丝绳隔振器,建立单自由度隔振系统的力学模型,并推导系统的能量方程,获得隔振系统受到冲击荷载后各种能量的传递、消耗和分配情况,从能量的角度揭示单自由度隔振系统消极隔振的耗能本质。通过对计算结果的分析,研究YGG型钢丝绳隔振器在冲击振动过程中,输入总能量、隔振器的初始预压缩量、配重与轴向力大小等因素对各种能量分配和钢丝绳隔振器耗能特性的影响规律,并求得YGG-8 kN型钢丝绳隔振器的轴向和侧向耗能能力。     

某乏燃料运输容器减震器设计及验证

目的 研发用于某运输容器的减震器,同时探究减震器尺寸和填充材料的分散性对减震器设计的影响。方法 开展减震器尺寸对运输容器减震效果的分析计算,通过木材抗压强度试验获取木材压缩强度分散性,并使用有限元方法对运输容器进行9 m过重心角跌落分析,并进行9 m过重心角跌落测试验证。结果 一般来说减震器尺寸越大,其吸收能量越多,但其尺寸超过某临界点后减震效果反而下降;低抗压强度的填充木材吸能力不如较高抗压强度的,但填充木材抗压强度较大时,减震器偏硬会导致较大的容器刚体加速度。结论 该减震器设计合理,满足规范要求。填充木材的力学性能分散性,偏大或偏小都会对设计产生影响,因此,使用木材作为缓冲填充材料,设计时需要充分考虑木材压缩强度分散性对缓冲效果的影响。     

复合材料加筋壁板低速冲击响应与冲击能量关系

基于ABAQUS有限元软件,采用Hashin损伤准则建立了一种有效的复合材料加筋壁板低速冲击模型。分析了接触力、加筋壁板吸收能量和损伤散逸能对冲击响应的影响。结果表明:随着冲击能量的增大,接触力峰值前移,且冲击后板吸收能量与损伤散逸能的差值变大。落锤冲击实验表明,低速冲击能量下损伤程度与冲击能量正相关。对比了损伤区域的仿真结果和实验结果,发现二者拟合较好。     

核乏燃料运输容器减震器填充材料研究进展

目的综述以木材、聚氨酯泡沫、蜂窝铝作为核乏燃料运输容器减震器填充材料的性能。方法通过对3种填充材料的减震器进行受载分析,然后对3种填充材料的力学性能进行验证。结果将3种材料作为核乏燃料减震器填充材料具有可行性,还列出了3种材料的不足之处。结论工业上对有着优秀能量吸收、限制过载、质轻且受环境变化影较小的核乏燃料运输容器减震器填充材料有着迫切需求。之后提出将2种材料(泡沫铝和双向瓦楞蜂窝铝)作为减震器的填充材料,并分析了2种材料的特点与吸能特性,证明了其作为减震器填充材料的合理性与可行性。     

箱装电子仪器安全跌落冲击数值模拟方法研究

为正确评估跌落冲击对箱装电子仪器可靠性的影响,确定了合理的包装参数和设计流程,科学指导运输与试验,分别采用理论分析和有限元计算方法对箱装电子仪器垂直跌落的情况进行了仿真,得到了垂直跌落条件下电子仪器最大加速度和最大位移随跌落高度与缓冲垫弹性模量变化的规律。结合产品脆值,确定了产品储运过程中的最大堆垛高度,并得到了合理的包装设计流程,从而为有效指导产品包装设计、实体试验和储运安全提供了理论依据。     

球体斜碰撞下包装材料能量传递及转换的试验研究

目的 针对在球体斜碰撞过程中,包装材料界面能量变化及其量化表征的问题,基于碰撞接触面的几何特征,提出外加能量吸收率、传递率和转换率的计算模型。方法 首先,分析球体斜碰撞接触面的几何特征,利用基圆和滑移面面积建立能量吸收率、传递率,以及不同方向能量比率的数学表达式。然后,通过搭建球体自由跌落斜碰撞测试平台,分析冲击角、衬垫厚度、跌落高度、球体直径和材料密度对能量参量的影响。结果 通过碰撞接触面积计算能量吸收率和转换率,遵循了能量守恒定律,具有可行性;能量吸收率在75%以上,并随着跌落高度、球体直径和密度增加而变大,而冲击角对能量吸收率的影响较小;法向能量比率随着冲击角增加、球体直径减小而下降,切向能量比率与此相反,跌落高度和密度对能量比率无明显影响;在给定工况下,衬垫的最佳吸能厚度为4 mm。结论 文中的分析有助于包装材料碰撞界面处能量变化以及接触特性的研究。     

基于光纤光栅传感器的复合材料层合板冲击能量研究

复合材料结构较容易产生结构表面无法探测到的低速冲击损伤。试验利用光纤复合材料结构中布拉格光纤光栅传感器受到低速冲击后光栅中心波长随应力变化这一特性,在恒温下用布拉格光纤光栅传感器对复合材料智能结构受到的低速冲击能量给出判别,并对通过光纤光栅解调仪采集下来的低速冲击信号进行频谱分析。在计算冲击信号所有能量等级的频谱峰值后,给出可以界定能量等级的频谱峰值临界值,利用其来判别低速冲击能量等级。试验表明布拉格光纤光栅传感器可以监测复合材料受到冲击的信号,能够对复合材料结构低速冲击进行能量等级判断研究     

具有不同诱导槽结构的薄壁圆管抗撞性优化

在金属薄壁圆管（原模型）的基础上,分别引入不同形式的圆弧形诱导槽结构并以其为研究对象,建立以诱导槽半径、槽端距、槽间距为优化参数, 以比吸能和最大峰值碰撞力为评价指标的多目标优化模型。分析研究了诱导凹槽、凸槽及凸凹交替的诱导槽结构对薄壁构件吸能、最大峰值碰撞力的影响。采用有限元软件LS-DYNA得到不同几何参数模型的碰撞响应,结合径向基函数法构造近似函数,并采用理想点法进行优化设计,得出使结构最优时的不同形式的诱导槽半径、槽端距及槽间距,从而得到了不同形式的理想诱导槽优化结构。