基于碰撞安全性的泡沫铝填充矿用救生舱优化及性能分析

为提高矿用救生舱的碰撞安全性,设计一种泡沫铝填充矿用救生舱。利用ANSYS Workbench的参数优化模块,以舱体的加速度、变形及吸能大小为优化目标,对舱体的结构参数和泡沫铝的材料性能参数进行优化。对优化后的泡沫铝救生舱的碰撞安全性进行分析,结果表明泡沫铝救生舱在质量和最大等效应力均有所降低的前提下,泡沫铝救生舱碰撞时的最大变形和最大加速度得到显著降低并且舱体吸收的能量得到大幅提升,证明泡沫铝填充救生舱具有更佳的碰撞性能可以提高其安全性。     

负泊松比材料填充矿用救生舱热力耦合冲击性能研究

矿用救生舱是煤矿瓦斯、煤尘爆炸事故时，保护煤矿工人的重要应急避险装备。需要救生舱舱体能抵抗冲击波、石块的冲击，且具有优异的隔热性能。通常设计矿用救生舱时，都是增加构件厚度或对救生舱结构进行优化，研究性能已经开发优化到了瓶颈。而该文章采用负泊松比材料填充进矿用救生舱夹层内，利用其轻质化、隔热、隔振和抗冲击性能优良的特点，提升整体救生舱的抗冲击能力和隔热能力。通过爆炸瞬态热分析、热力耦合冲击性能分析、碰撞冲击响应分析等来验证负泊松比填充矿用救生舱其优越的安全性能。     

基于冲击实验的泡沫铝-聚氨酯缓冲性能研究

目的 设计一种缓冲性能优良的缓冲结构, 并评估其填充材料的力学性能。方法 把泡沫铝原材料加工成试样尺寸, 用钻床给泡沫铝试样钻孔, 填入不同体积分数的聚氨酯。采用冲击实验的方法对泡沫铝-聚氨酯复合材料的力学性能进行分析。结果 在泡沫铝-聚氨酯复合材料试样中, 聚氨酯的体积分数为4.9%时材料韧性最好。结论 泡沫铝-聚氨酯复合材料结构的缓冲性能比泡沫铝单体更好,是最理想的抗高冲击、 高过载缓冲防护材料。     

泡沫铝填充薄壁铝合金多胞构件与单胞构件吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的吸能能力,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的数值仿真。对经典薄壁圆管试验及泡沫铝填充薄壁圆管试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟泡沫铝填充薄壁圆管在轴向冲击过程中的撞击力和变形发展。基于该模型对比研究了不同因素下泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的轴向吸能特性,分析了其破坏模式、吸能机理和两者吸能效率。结果表明:在轴向冲击荷载作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金的破坏模式为轴对称渐进折叠破坏模式,冲击力-位移曲线和变形模态图显示其变形过程分为3个阶段:弹性阶段、平台阶段和强化阶段。当冲击压缩距离为构件高度的80%时,7种不同参数下的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构的吸能效率明显高于7种单胞结构,吸收的能量E和比吸能SEA都提高了50%以上,是一种优秀的吸能构件,可广泛应用于防护工程中。     

巷道内爆炸冲击作用下煤矿救生舱动态响应的数值分析

运用AUTODYN有限元软件,基于流-固耦合方法,分析了某型号圆柱形救生舱在巷道内的冲击响应规律。研究表明,冲击载荷峰值压力为2.14 MPa时,救生舱受前端面和尾端面冲击的最大等效应力均未达到强度极限,迎爆面中心点的最大位移也均未超过失效准则的要求,救生舱强度符合国家标准。当迎爆面换成平面结构时,在相同的爆炸冲击下,救生舱发生了强度失效和变形失效,这说明采用凸出结构的迎爆面可以增强救生舱的抗冲击性能,相关结论对救生舱的设计具有一定工程价值。     

泡沫铝-聚氨酯复合材料的厚度对其缓冲性能的影响

采用泡沫铝填充量(体积分数)为12.15%的泡沫铝-聚氨酯复合材料,在7 800g的冲击加速度下,建立了3种厚度分别为6,8,12 mm的泡沫铝-聚氨酯的缓冲模型,用Ansys对各缓冲模型进行了应力分析,得到了各模型的变形情况,分析了不同厚度的缓冲模型的冲击吸振性能。结果表明:在一定厚度范围内,厚度越大,泡沫铝-聚氨酯复合结构模型受到冲击时产生的最大应力越大,最大变形量也越大。     

泡沫铝-聚氨酯复合结构的缓冲性能研究

研究了以泡沫铝为基体,以聚氨酯为增强体组合而成的泡沫铝-聚氨酯复合结构,其综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。利用Ansys软件建立了泡沫铝-聚氨酯缓冲包装装置模型,通过分别填充体积比例为4.31%,8.04%及12.15%的泡沫铝,用Ansys对缓冲包装装置进行了应力分析,得到了装置各部分的变形情况,分析了装置的冲击吸振性能;仿真结果表明:在加速度达到7 800g时,该装置缓冲性能优于单体。     

泡沫铝填充多棱管的吸能分析

通过LS-DYNA模拟分析泡沫铝填充多棱管的准静态过程。以柱壳比（R）作为比较具有不同截面形状的泡沫铝填多棱管的依据。通过比吸能、比力和能量吸收率,实现泡沫铝填充多棱管吸能性能的定量化比较分析。研究发现在具有相同柱壳比的条件下,泡沫铝填充四棱管的比吸能最高;泡沫铝填充八棱管的能量吸收率最高（约78%）;四棱管的吸能量占泡沫铝填充四棱管总吸能量的比例最小（约57%）。不同的几何形状和结构对泡沫铝填充多棱管的吸能性能有着显著的影响。同时,对泡沫铝填充多棱管的变形模式和内在机制也做了初步的分析     

高速冲击泡沫铝填充管的瞬态分析

泡沫铝具有减震和吸收冲击能量的良好特性。但由于泡沫铝自身强度较低,单独作为承载和吸能构件实用意义不大。将泡沫铝作为填充材料能充分发挥泡沫铝的优良性能。采用数值模拟方法研究低密度Duocel泡沫铝填充薄壁方钛管和圆钛管在30m/s的匀速冲击载荷作用下的瞬态吸能特性。提出柱壳比(R)作为比较不同截面形状的泡沫铝填充结构的依据。研究发现泡沫铝填充方钛管的比吸能为ES(F+P)A=0.438J;圆钛管的比吸能为EC(F+P)A=0.344J。泡沫铝填充方钛管的吸能效果好于圆钛管,前者是后者的1.273倍。在相互作用和影响下,泡沫铝柱和管的变形模式和力学性能都发生了较大的改变,被泡沫铝填充的方管的屈曲波长变短,圆管则与之相反。粘合后,泡沫铝柱和管具有类似的力—位移曲线和相似的力学性质。     

弹载加速度记录仪抗冲击防护结构设计

针对弹体侵彻混凝土环境,提出一种中薄型防护外壳嵌套内壳体,两壳体间填充泡沫铝缓冲材料的记录仪抗冲击防护结构。针对应力波作用下防护外壳的屈曲和泡沫铝缓冲性能不足导致内部电路模块冲击断裂的典型失效模式,通过对记录仪抗冲击防护结构在应力波作用下的结构响应分析,提出一套以壳体厚度h、泡沫铝密度ρ、泡沫铝厚度h_b为主要设计指标的弹载加速度记录仪抗冲击防护结构设计方法。设计出防护外壳半径为29 mm,壁厚3 mm,泡沫铝密度1.1g/cm~3,泡沫铝厚度23 mm的抗冲击防护结构,经计算该结构理论抗冲击能力为63 300 g。在实弹侵彻混凝土试验中,测得冲击加速度峰值为56 300 g,在此冲击下记录仪壳体结构稳定,内部电路工作正常,验证了此抗冲击防护结构具有较高的可靠性。     

泡沫铝夹层结构复合材料低速冲击性能

以泡沫铝为夹芯材料,玄武岩纤维(BF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)复合材料为面板,制备夹层结构复合材料。研究纤维类型、铺层结构和芯材厚度对泡沫铝夹层结构复合材料冲击性能和损伤模式的影响规律,并与铝蜂窝夹层结构复合材料性能进行对比分析。结果表明:BF/泡沫铝夹层结构比UHMWPE/泡沫铝夹层结构具有更大的冲击破坏载荷,但冲击位移和吸收能量较小。BF和UHMWPE两种纤维的分层混杂设计比叠加混杂具有更高的冲击破坏载荷和吸收能量。随着泡沫铝厚度的增加,夹层结构复合材料的冲击破坏载荷降低,破坏吸收能量增大。泡沫铝夹层结构比铝蜂窝夹层结构具有更高的冲击破坏载荷,但冲击破坏吸收能量较小;泡沫铝芯材以冲击部位的碎裂为主要失效形式,铝蜂窝芯材整体压缩破坏明显。     

复合泡沫填充管的高g值冲击防护特性

目的 为避免或减小高g值冲击对弹内轻质元器件的破坏,应加强对轻质元器件缓冲防护结构的研究。方法 基于新型复合泡沫和通孔泡沫铝的2种泡沫填充管,通过万能试验机和落锤冲击系统研究了2种泡沫填充管的静动态力学特性,并运用数值模拟方法研究高g值冲击下等质量的泡沫填充管与夹芯管的加速度缓冲效果和吸能机制。结果 数值模拟所得结构变形和落锤加速度与实验结果较为一致,验证了数值模拟方法的可靠性。复合泡沫平台应力具有显著的应变率效应,其填充管压溃载荷平稳且高于泡沫铝填充管,比泡沫铝填充管体现出更优异的高过载防护性能。等质量的泡沫夹芯管的抗冲击性能优于填充管,2种泡沫填充而成的夹芯管具有相似的高过载防护性能,泡沫材料压缩行为对夹芯管压溃载荷特征的影响低于填充管。结论 所得结果对轻质元器件的高g值缓冲防护有较强的指导意义。     

泡沫铝填充管的研究进展

泡沫铝填充管是在一个或多个不同横截面形状的薄壁金属管内填充泡沫铝而形成的一种结构功能一体化材料。泡沫铝的填充不仅提高了薄壁金属管的轴向压缩性能和抗弯曲性能,也避免了泡沫铝本身强度不高的劣势。从泡沫铝填充管的制备、结构及性能方面综述了其研究现状,从泡沫铝单管、双管与多管填充的角度分析了结构对泡沫铝填充管压缩和弯曲性能的影响。单管填充泡沫铝改变了薄壁管压缩及弯曲的失效形式,提高了薄壁管的吸能性;双管填充泡沫铝的内管多数以同心管形式排列,在管内部所填充的泡沫铝支撑的基础上,内管进一步支撑起泡沫铝填充管的承载和吸能作用,其压缩及弯曲性能较单管填充更为突出;多管填充泡沫铝在双管基础上进行拓展,可以同心或并列排布,对薄壁管性能的提升各有不同,平行排列的多管结构能量吸收效率高于泡沫铝填充单管,但低于相应的薄壁空管结构。泡沫铝填充管的制备技术通常是分别制取泡沫铝和管材再进行填充,尽管过于单一且工艺复杂,但由于其具有优异的承载和吸能能力,仍然在交通运输、航空航天等领域极具应用潜力。     

轴向冲击作用下泡沫铝填充圆管吸能特性研究

基于金属圆管移动塑性铰理论,建立一种考虑偏心率效应和相互作用效应的泡沫铝填充圆管轴向冲击移动塑性铰分析模型,利用LS-DYNA软件对填充结构进行冲击仿真试验.结果表明,移动塑性铰模型和静态塑性铰模型相比,移动塑性铰模型计算的理论结果与仿真结果具有更好的一致性.泡沫铝填充圆管的平均压溃载荷与偏心率m有关,m存在最优值,冲击速度越大,m的最优值也越大.受轴向冲击载荷压溃时,泡沫铝与圆管之间存在明显的相互作用效应,在分析吸能特性时应加以考虑.     

高g值冲击下泡沫铝填充铝壳吸能特性研究

在弹体高速侵彻硬目标和弹箭爆炸抛撒过程等环境中,弹载测控电路将承受数万g的冲击加速度作用,因此需要对测控电路模块进行缓冲保护.为了设计较优的保护结构,提出了3种不同厚度的铝壳和不同密度泡沫铝的填充结构,利用LS-DYNA有限元软件,从载荷效率、比吸能、隔冲效率以及最大加速度响应等4个评价指标对泡沫铝填充铝壳缓冲吸能效果进行评估.结果表明,厚度为0.8mm、密度为1.1g/cm3填充结构的缓冲吸能效果在不同组合中最好.     

椭圆形泡沫填充薄壁管斜向冲击吸能特性仿真研究

为了提高汽车在斜向碰撞中的防撞性,提出了一种新型的椭圆形泡沫填充管。以比吸能和冲击力峰值作为评价指标,采用有限元仿真的方法分析了椭圆向心率、壁厚和泡沫铝密度等参数对其斜向冲击吸能特性的影响。结果表明:向心率的减小,在小角度冲击时,可降低冲击力峰值,大角度冲击时,能提高比吸能量;比吸能和冲击力峰值与壁厚近似为线性关系;泡沫铝密度为0.153 g/cm~3时,泡沫填充管的综合比吸能最小,而冲击力峰值则随着泡沫密度的增大而增大。因此,合理地设计椭圆形泡沫填充管参数有利于提高汽车的防撞性,从而提高乘员安全性能。     

基于泡沫铝“三明治”结构的吸能装置设计与吸能仿真分析

研究泡沫铝“三明治”结构应用于大冲击能量吸能装置的设计,给出了泡沫铝材料用于吸能装置的设计方法与步骤,设计出可吸收2.232 MJ能量的新型斜井跑车防护装置.利用LS/DYNA进行该装置的碰撞仿真分析,发现泡沫铝在高速冲击中逐层压溃,具有很好的缓冲吸能效果;在冲击过程中,瞬时吸能速率随着泡沫铝变形的加剧和结构强度的提高而增大,冲击中泡沫铝“三明治”结构出现粘结失效.     

梯形齿环状结构缓冲防护性能研究

目的在高冲击、高过载的环境下,研究高过载测试电子记录器的环阻尼缓冲防护结构的缓冲防护性能。方法从结构和材料上对高过载测试电子记录器中的环阻尼缓冲防护结构进行改进,采用具有梯形齿环状缓冲防护结构,在钢壳内侧壁和内胆盖外侧壁、内胆外侧壁之间装有泡沫铝-聚氨酯或泡沫铜-聚氨酯等复合材料,以更好地起到缓冲防护作用。接着对复合材料结构试样进行Ansys仿真实验,研究泡沫铝-聚氨酯复合材料结构的抗高过载、高冲击性能。结果灌封质量分数为25%的聚氨酯时的泡沫铝-聚氨酯复合材料结构的抗高过载性能较好,灌封质量分数为4.9%聚氨酯时的泡沫铝-聚氨酯复合材料结构的抗冲击性能最好。结论梯形齿环状结构较三角齿螺纹结构有更好的稳定性。     

泡沫铝填充薄壁铝合金多胞板与单胞板吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞板(MCP)与单胞板(SCP)的吸能能力,该文设计了6种不同截面的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞板与1种单胞板,并基于非线性有限元软件LS-DYNA建立了相应的数值模型。对经典铝合金板耐撞击试验及泡沫铝夹芯板耐撞击试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能较好的模拟泡沫铝夹芯板在冲击过程中的撞击力、挠度和变形形态。基于此模型对比研究了不同因素下多胞板与单胞板的吸能特性,分析了其破坏模式和吸能机理,最后通过正交试验的方法分析了不同因素下的吸能效率以及多胞板最优截面类型的选取。结果表明：在面外冲击作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金板的破坏模式为对称圆锥式破坏,冲击力-位移曲线和变形图显示其变形过程分为两个阶段：弹塑性变形阶段和回弹阶段;在发生相同位移时,18种不同参数的多胞板,其吸收的总能量(E)和比吸能(SEA)相对于单胞板都提高了400%以上,是一种更具吸能特性的板,可广泛应用于防护工程。     

填充泡沫铝的多层铝管动态压溃吸能特性研究

采用数值模拟的方法研究和分析了无填充物的多层铝管结构的吸能特性,结果发现多层铝管相比单层铝管,不但具有较大的吸能量,而且还具有较高的比吸能率;在此基础上,设计了不同层数的多层管泡沫铝填充结构,研究发现泡沫铝不但受轴向压溃变形,同时也受到了铝管层之间的相互作用力使其在径向发生了变形;之后对多层管填充3种不同密度的泡沫铝,采用变参分析的方法研究了多层管层数和泡沫铝密度对整个结构吸能特性的影响;研究结果表明:填充泡沫铝的多层管,随着层数的增加,其比吸能率和吸能量也随之有所增加,随着泡沫铝密度的提高,比吸能率的提高量开始下降,但仍高于填充相同泡沫铝的单层管。