碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管多胞填充结构吸能特性的准静态压缩试验

针对现有研究对复合材料多胞结构吸能特性研究的不足,提出了一种由多根小尺寸的单根碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管(Single CFRP tube,SCT)填充进大尺寸碳管组成的多胞填充结构(Multicellular filling structure,MFS),并分别对SCT和MFS进行了单次全行程加载和多次分段加载的准静态压缩,分析了其压缩破坏模式和吸能特性。研究结果表明:MFS最外侧碳管破坏模式与SCT破坏形式相似,且单次全行程压缩与多次分段压缩的破坏模式没有明显区别,但MFS最外侧碳管由于内部碳管及碎屑的挤压呈现出明显的径向变形;相对于单次全行程压缩过程,SCT及MFS多次分段压缩时的总耗能量更多;本次研究的SCT试件最大比吸能为86.0 J/g,最小比吸能为59.3 J/g,然而由于MFS最外侧管件的比吸能低,导致其比吸能在69.8~75.9 J/g之间,小于单管根碳管的最大比吸能,但进一步研究可知,合适的外部约束形式和内部碳管数量可使MFS比吸能高于SCT的最大比吸能。      

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。     

编织复合材料圆管准静态轴向压缩吸能特性的试验研究

通过二维三向编织复合材料圆管的轴向准静态压缩试验, 分析了编织复合材料圆管的压缩破坏机理和吸能特性, 并探讨了编织参数对吸能特性的影响。试验中观察到4种破坏模式: 分瓣破坏、 局部屈曲、 块状断裂和突发破坏。在纤维体积分数相同的情况下, 随着编织层数的增加和编织角的减小, 圆管的吸能能力有所提高。二维三向编织复合材料圆管是一种较好的吸能材料, 具有较高的单位质量吸能特性。      

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。     

典型浇注PBX炸药的准静态压缩力学行为

采用定应变压缩试验研究了准静态压缩条件下浇注PBX炸药(浇注型高聚物黏结炸药)的力学行为,测试了典型浇注炸药PBX-1在损伤前、后的性能,获得了炸药的真应力-应变曲线。试验结果表明,浇注PBX炸药在准静态压缩条件下的力学行为分为接触压缩、弹性变形、损伤破坏和应变软化4个阶段。在压缩应变不超过损伤应变时,PBX-1炸药主要以弹性变形为主,屈服强度和屈服应变没有发生明显改变;在压缩应变超过损伤应变后,炸药中黏结剂断裂,颗粒脱黏,发生塑性变形。压缩应变增加至8%后,PBX-1炸药密度降低,残余应变增大;PBX-1炸药的屈服强度为0.6 MPa,屈服应变为10.6%,损伤应变为8%,炸药的损伤应变可以作为强度校核的依据。     

负泊松比三明治结构填充泡沫混凝土的面内压缩性能

为改善负泊松比三明治结构的受压破坏模式且提高其缓冲吸能能力,提出一种填充泡沫混凝土的新型复合三明治结构。在负泊松比结构中填充不同密度(409 kg/m3、575 kg/m3、848 kg/m3、1 014 kg/m3)的泡沫混凝土得到负泊松比填充结构,并对无填充负泊松比结构、负泊松比填充结构和泡沫混凝土对照试块在准静态压缩下的破坏模式和吸能特性进行比较。根据荷载-位移关系和破坏模式得到以下结论:当填充物密度较小时,负泊松比填充结构能够将填充物的泊松比限制在较小的数值,胞元表现出内凹的变形模式,结构发生逐渐被压实的压缩破坏;当填充物密度较大时,结构发生“X”型剪切破坏,塑性铰区域和剪切带附近的胞壁发生断裂破坏;泡沫混凝土填充物的密度越大,填充结构的压实应变越小,吸收的能量越多,但当填充物密度超过一定值后,填充物密度的增加对负泊松比填充结构能量吸收能力的提升作用不再明显,结构的比吸能降低。      

泡沫铝-聚氨酯静态压缩特性及吸能特性分析

目的研究球形孔开孔泡沫铝相对密度、孔径对泡沫铝-聚氨酯复合材料力学性能的影响,以及对其吸能性能的影响。方法对制备的泡沫铝-聚氨酯复合材料进行准静态压缩实验。结果通过准静态压缩实验,得出分别对应的应力-应变曲线,并通过应力-应变曲线推导出吸能-应变曲线。当泡沫铝孔径一定时,泡沫铝相对密度从35.0%提升到38.4%时,泡沫铝-聚氨酯复合材料的屈服强度增加了6.5 MPa。当泡沫铝相对密度一定时,泡沫铝孔径从5.5 mm增大到9.5 mm时,泡沫铝-聚氨酯复合材料的屈服强度增加了3.38 MPa。结论泡沫铝的相对密度、孔径对泡沫铝-聚氨酯复合材料的性能有很大的影响,泡沫铝的相对密度越大,复合材料的性能越好,泡沫铝孔径越大复合材料性能越好,且泡沫铝相对密度越大,复合材料吸能特性越好,泡沫铝孔径越大,复合材料吸能特性越好。     

瓦楞复合材料静态压缩吸能性能研究

基于4种不同结构瓦楞复合材料的静态压缩试验,用单位体积单位质量材料的最大变形能来表征其缓冲吸能效率,比较了4种材料的吸能性能.折叠型瓦楞复合材料的承载性能最高,其静态压缩吸收的最大变形能也较大;0/90/0交叉叠置瓦楞复合材料和0/0/0平行叠置瓦楞复合材料的缓冲性能非常相似,其承载能力不高,但回弹性较好;瓦楞/蜂窝/瓦楞以很少的材料大大提高了复合材料的厚度,且其缓冲吸能效率比单纯的瓦楞叠置有所提高.该研究成果为缓冲用瓦楞复合材料的选用提供了数据支持.     

镁基多孔材料准静态压缩行为与吸能特性研究

基于可去除填充颗粒的粉末冶金技术制备了孔隙率在40%～80%,孔径在1～2mm内变化的多孔镁和多孔AZ91D镁合金,并系统考察了材料的准静压压缩行为和吸能特性。结果发现,镁基多孔材料的压缩应力-应变曲线由线性弹性区、平台和致密化区域组成,但曲线锯齿状波动较大,表明材料的脆性断裂机制。压缩屈服强度与相对密度的关系可通过Gibson-Ashby模型来理解,但屈服强度对孔径的依赖性较低。吸能本领随相对密度的增加而增加,相同条件下,多孔AZ91D镁合金的吸能本领高于多孔镁,多孔镁的吸能效率则高于多孔AZ91D镁合金。     

复合材料层合板准静态横压损伤及其压缩破坏研究

为了考察一种小试件CAI试验方法的有效性,本文作者对复合材料层合板的准静态横向压缩特性和损伤,以及损伤后的压缩破坏进行了试验研究,采用C扫描、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量,并将含准静态横压损伤层合板的剩余压缩强度与低速冲击后板的压缩强度进行了比较。结果表明:在横压过程中存在分层损伤起始门槛压缩载荷值或压入深度值,以及横压载荷极限值;小板试件各界面的分层面积沿厚度方向的分布和继后的压缩破坏形式等与SACMA的CAI试验标准的情况相异。     

玄武岩纤维增强泡沫混凝土的单轴拉伸及准静态压缩性能

为研究玄武岩纤维增强泡沫混凝土的力学性能,共设计了52组试件,讨论了玄武岩纤维体积掺量和纤维长度对各密度试件的拉伸和压缩性能的影响。结果表明：玄武岩纤维可显著提高试件的抗拉峰值应力(最大提升达到737%)和峰值应变(最大提升达到833%),可有效改善中高密度试件的受拉失效模式,使其出现伪应变硬化现象,提升了试件的抗拉承载能力和变形能力。试件抗拉峰值应力和峰值应变随纤维体积掺量增大而增大,随纤维长度增长先增大后降低;另一方面,玄武岩纤维能改变试件的受压破坏模式,使其从纵向劈裂破坏转变为斜向剪切破坏和横向压溃破坏,显著提高了中低密度试件的抗压承载力和吸能能力(最大提升达到328%)。试件的吸能能力随纤维体积掺量增大而增强,随纤维长度增长先提升后降低。     

爆炸载荷下多胞元液舱结构的防护效能研究

为探究多胞元液舱结构对爆炸载荷的防护效能,提出了内凹多胞元液舱结构,建立了常规液舱结构、内凹多胞元液舱结构的三维数值模拟模型,比较了两类结构在不同强度的爆炸载荷作用下的响应和防护特性,讨论了充液方式变化对多胞元液舱结构抗爆效能的影响。结果表明：在爆炸载荷作用下,完全充液液舱结构的前、后面板均呈现出与爆轰方向一致的弯曲变形,其余外侧面板呈现出向结构外部的弯曲变形,部分充液液舱结构的变形形貌与充液位置有关;在对结构进行完全充液时,内凹多胞元液舱结构的抗爆效能优于常规液舱结构;在对结构进行部分充液时,于近爆端进行部分充液的内凹多胞元液舱结构的抗爆效能优于常规液舱结构,于远爆端进行部分充液的内凹多胞元液舱结构的抗爆效能劣于常规液舱结构。     

内凹-星型三维负泊松比结构设计及冲击吸能特性

负泊松比结构因其反常的变形机制在缓冲吸能领域具有可观的应用前景。该文设计并表征了一种参数可调的新型负泊松比结构。采用理论和数值模拟相结合的研究手段,系统地研究了结构的静/动态力学性能和吸能特性。研究结果表明：新结构具有较好的力学性能和参数可调性;在静态压缩条件下,新型蜂窝结构具有更高的刚度和更优异的吸能性能,其比吸能值是内凹型蜂窝结构的2.64倍,是星型蜂窝结构的3.89倍;在动态冲击条件下,内凹-星型结构的吸能性能在低速时优于两种传统蜂窝结构(内凹和星型),在中高速时其吸能优势有所退化,与内凹型蜂窝结构相当,但远高于星型蜂窝结构。     

蜂窝纸板箱的静态压缩特性研究

建立了蜂窝纸板箱的基本方程,并对蜂窝纸板箱进行了有限元模拟,利用ANSYS对其压缩特性进行了计算;得到了中面受均布载荷时无衬垫和带有蜂窝纸板衬垫两种情况下蜂窝纸板箱的应力图和变形图;同时分析了箱体的应力和变形特点.结果表明:在蜂窝纸板箱底部的中央位置应力和变形均为最大值,这将影响其抗压性能;蜂窝纸板衬垫可以有效地降低最大应力值.此结论为蜂窝纸板箱的优化设计提供了参考依据.     

金属纤维钩织复合结构压缩行为分析

目的 针对金属薄壁复合管在轴向压缩时初始峰值载荷高、吸能效果不佳、结构耐撞性不好等问题,研究金属纤维钩织复合结构以及填充6063铝合金管试件的轴向准静态压缩行为和吸能特性。方法 利用短针钩织与烧结工艺制备不同孔隙率的金属纤维钩织结构,将它们填充到6063薄壁管之后,在万能试验机上进行轴向压缩试验,引入评价指标,对试验数据进行处理分析。结果 孔隙率为85.9%、87.9%、89.4%的金属纤维钩织结构的初始峰值力分别为0.48、0.38、0.32 kN,平均压缩力分别为0.72、0.55、0.45 kN。它们的初始峰值力和平均压缩力都非常小,都小于0.8kN。然而,它们的压缩力效率非常高,分别为1.5、1.45、1.41。初始峰值力、平均压缩力和压缩力效率均随孔隙率的增加而减小。这一特性有利于提高结构的耐撞性,表明不存在初始冲击效应,能够直接进入吸能阶段。结论 通过填充金属纤维钩织结构,可以在初始峰值力几乎没有增加的情况下提高6063管材的准静态耐撞性。此外,钩织结构孔隙率对金属纤维钩织结构的准静态力学行为有明显影响。     

玻璃空心微球/铝基多孔复合材料的制备及其准静态压缩特性和吸能性能

铝基多孔复合材料由铝基体和空心微球复合而成,兼具轻质与吸能特性。本文采用放电等离子烧结(SPS)方法制备玻璃空心微球/铝基多孔复合材料,通过光学显微镜、SEM、准静态压缩原位观察和数字图像相关技术表征,分析了空心微球含量及尺寸对复合材料准静态压缩变形行为和吸能性能的影响。结果表明：两步升温SPS烧结制备所得的铝基多孔复合材料,其微球弥散均匀嵌于铝基体中,铝基体熔合致密。随空心微球含量增加,复合材料压缩应力整体降低,屈服平台区扩大但由平滑转变为锯齿状,压缩变形行为从较均匀的鼓状形变逐渐发展为脆性剪切,微球体积分数为50vol%的多孔复合材料吸能能力为23.6 J·cm^-3,高于体积分数为30vol%和70vol%的多孔复合材料,复合材料吸能能力与微球含量间存在最优对应关系。小尺寸微球具有更好的抗压能力,随小尺寸微球占比的提高,复合材料微观上可承受更高的应力-应变集中,宏观上剪切形变的压缩应变增大,本文中小尺寸微球多孔复合材料的峰值应力和吸能能力分别为89.4 MPa和29.0 J·cm^-3,与大尺寸微球多孔复合材料相比分别提高23.5%和22....     

复合材料/铝复合管轴向准静态及冲击压溃的吸能特性

用数值模拟方法,研究了方形和圆形截面的复合材料/铝复合管在轴向准静态及冲击压溃下的吸能特性,计算得到压溃力-位移曲线。通过将一组方形截面复合管在准静态压溃条件下的计算结果与文献的实验数据进行对比,以验证有限元模型和参数设置的正确性。在铝管的管厚、管长以及截面外周长相同,缠绕不同厚度的复合材料情况下,对比分析了方形和圆形截面复合管在准静态及冲击压溃条件下的轴向压溃吸能特性。结果表明,复合管的截面构型对其吸能效果影响很大,在轴向准静态压溃条件下,圆形截面复合管吸能能力要强于方形截面复合管;冲击压溃吸能量不但与结构自身吸能力有关,还受到外界冲击大小的影响。在设计复合材料层厚度时,需要控制复合管的刚度,避免回弹造成吸能量的降低。     

泡沫和橡胶组合层状结构静态吸能性能研究

目的 提出一种新型的泡沫和橡胶组合层状吸能结构,通过仿真对比分析该结构静态压缩特性和缓冲性能。方法 采用发泡聚苯乙烯(EPS)、三元乙丙橡胶(EPDM)2种材料,以3种不同厚度比(1∶3、1∶1、3∶1)、2种叠置顺序进行组合构建层状结构,应用LS–DYNA进行组合层状结构静态压缩变形特性、吸能特性分析,并与2种材料单独压缩时的特性作了对比。结果 2种材料相互组合的层状结构静态压缩力学特性、吸能能力与叠置顺序无关,与2种材料的厚度比有关。组合层状结构的承载能力、总吸能和平台应力均优于单一EPS的;组合层状的比吸能优于单一EPDM的,比单一EPS的差,是单一EPS比吸能的1/60~1/20。能量吸收率在不同应力水平存在差异,调整EPS或EPDM子层厚度占比可提高组合层状结构的缓冲效率。结论 EPS和EPDM 2种材料相互组合的层状结构具有较大的结构承载能力和吸能优势,可为抗冲击的缓冲系统设计提供新思路和参考价值。     

聚脲包覆混凝土的压缩和吸能特性研究

混凝土结构在受到远超其极限强度的准静态或者冲击载荷作用时,常常发生粉碎性的破坏,导致结构坍塌。采用高弹性材料包覆混凝土有可能减缓结构的灾难性坍塌。该文研究了聚脲涂层包覆的圆柱形混凝土试件在准静态和动态落锤压缩下的破坏过程和吸能特性。实验结果表明混凝土试样的抗压强度存在明显的应变率硬化效应,观察到聚脲包覆混凝土和无聚脲包覆混凝土破坏后期残余承压特性的明显差异。分析了有无聚脲包覆混凝土的破坏形态,结果表明聚脲包覆混凝土的压缩吸能效果远远优于无包覆混凝土,有可能承压吸能构件应用于工程实际。