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。     

水下冲击载荷下波纹夹层结构动态响应特性分析

为了探讨波纹芯层夹层结构在水下爆炸冲击波作用下的动态响应特性和抗冲击防护能力,首先基于非药式水下冲击波加载试验,结合显示动力学软件对水下结构抗冲击解耦算法的有效性进行了验证。进而利用该算法对波纹夹层板在水下冲击作用下的动态响应进行了研究,得到了波纹夹层结构气背面板塑性变形与冲击波强度间的关系,同时比较分析了波纹夹层板与格栅夹层板及单层板的抗冲击性能。研究结果表明:具有相同面密度的夹层板抗冲击能力高于单层板,其中波纹型夹层板的抗冲击防护能力优于格栅夹层板,抗冲击性能相对于单层板提高了82.45%。     

水下冲击波作用的铝合金蜂窝夹层板动力学响应研究

为研究铝合金蜂窝夹层板水下爆炸冲击波载荷作用的动态响应及抗冲击性能,利用非药式水下爆炸冲击波加载装置对气背固支5A06铝合金夹层板及具有相同面密度的单层板进行水下冲击波加载试验。利用高速相机结合三维数字散斑技术(DIC)对夹层板后面板动态响应进行实时测量,获得夹层板气背面受水下冲击波作用的动态响应历程及变形毁伤模式,比较分析铝合金蜂窝夹层板抗冲击防护性能。结果表明,较相同面密度的单层板,蜂窝夹层板受水下冲击波载荷作用的芯层压缩能有效减少气背面板的塑性变形,提高夹层结构整体抗冲击性能。     

泡沫填充的S型褶皱复合材料夹芯板低速冲击响应特性

为了研究泡沫填充褶皱夹芯结构低速冲击响应特性与损伤机制,采用热压法制备了玻璃纤维增强S型褶皱夹芯板,并使用聚氨酯泡沫进行了填充,通过落锤试验机对夹芯板节点与基座两个位置进行了冲击试验。研究表明,冲击位置对泡沫填充褶皱夹芯板的失效模式存在影响。当冲击位置为节点时,夹芯板芯子以凸侧面曲面壁压溃断裂失效为主,泡沫的填充起到了提供力矩的作用。当冲击位置为基座时,夹芯板芯子以凹侧面曲面壁撕裂和凸侧面曲面壁压溃失效为主,夹芯板损伤沿板厚度方向扩展充分,导致冲击载荷均匀化。在相同冲击能量下,节点与基座冲击相比,夹芯板的最大载荷力提高,并且比较稳定。此外,节点载荷峰值产生的冲击位移较低于基座冲击。      

Mg/Al波纹复合板抗冲击性能研究

目的 比对波纹轧制结构和平面复合结构的Mg/Al复合板抗冲击性能与吸能机制.方法 采用波纹辊轧制工艺制备Mg/Al复合板,使用半球形铝合金弹丸对传统平面复合板与波纹复合板进行不同速度下的冲击试验研究,并对比分析2种复合板的损伤机理,探明波纹结构对复合板抗冲击性能的影响.结果 Mg/Al平面复合板抗半球形弹丸冲击的吸能机制主要是通过靶板的塑性变形、剪切破坏、拉伸断裂、分层破坏和弹丸与靶板间摩擦等形式来吸收能量.波纹复合板对冲击能量的吸收主要依赖靶板的局部塑性变形、沿着波纹方向的开裂、结合界面的分层以及弹丸与靶板间的摩擦耗能.结论 当冲击速度低于弹道极限速度时,波纹复合板的抗冲击性能优于平面复合板,高于弹道极限速度时,2种复合板的抗冲击性能和耗能程度相当.     

落锤冲击下叠层铝板的动态响应

叠层金属板作为一种新型抗冲击结构日益受到国内外关注。首先通过落锤冲击试验,研究了叠层铝板的变形以及对冲击物加速度的影响,对比了其与相同面密度单层铝板动态结构响应的异同。随后采用动态非线性有限元方法,对叠层铝板的落锤冲击试验进行了仿真计算,且仿真结果与试验吻合良好。结果表明：受到相同冲击载荷时,与单层板相比,多层叠层板可大幅降低加速度峰值,对冲击物(锤头)的缓冲效果更佳,起到更好的保护作用;叠层板在冲击点处的最大位移大于相同面密度单层板的最大位移,且随着总厚度(叠层数)的增加,差值逐渐增大;叠层板的层间摩擦因数显著影响其背凸位移,摩擦因数很小或很大时,背凸位移均减小。     

十字嵌锁型格栅夹芯结构设计及低速冲击性能

针对传统复合材料格栅夹芯结构极限承载能力较低、单胞封闭易造成水汽凝结的问题,在分析管胞微观结构和功能性的基础上,提出一种新型十字嵌锁型格栅夹芯结构。首先选取最小体积(最小质量)和最小变形(最大刚度)为优化目标,利用第二代非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)完成多目标优化,采用三维Hashin失效准则和改进的刚度退化方法建立格栅夹芯板的冲击渐进损伤有限元分析模型,研究多种低速冲击载荷对不同相对密度夹芯结构的不同位置的破坏机制及力学响应。结果表明：新型格栅夹芯结构表现出良好的低速冲击阻抗,其随芯子的空间分布存在差异,格栅间隙处的抗冲击性能较弱,芯子密度的提高不能有效增强该位置处的冲击强度,夹芯结构所受到的破坏远远大于冲击器撞击格栅交点处的情况;受不同冲击位置和冲击速度的影响,载荷-时间和位移-时间曲线呈现出不同的典型模式,芯子出现屈曲、分层、粘接剥离、折弯变形等失效形式,复合材料上面板发生混合损伤,随着冲击速度的增加,芯子和面板的损伤程度也愈严重。     

GLARE层板挤压渐进损伤分析

对GLARE36/5层板进行挤压性能试验研究,采用超声C扫描、断口微距拍摄和扫描电子显微镜等方法观测GLARE层板挤压渐进损伤过程和最终破坏模式。结果表明:GLARE层板挤压起始损伤为铝合金塑性变形;损伤扩展阶段,0°纤维主要承受挤压正应力,铝合金塑性变形增大,铺层间分层起始并扩展;0°纤维屈曲折断后层内纤维基体损伤和分层损伤急剧扩展,层板最终发生挤压破坏。将GLARE层板挤压失效分为层内失效和层间失效,采用应变描述的Hashin准则和界面单元方法并引入金属塑性建立GLARE层板挤压渐进损伤数值模型,数值模型对层板损伤起始位置、分层产生位置、损伤演化过程、最终破坏模式及破坏载荷进行了预测,计算结果与试验结果吻合较好,说明该计算方法能够有效模拟GLARE层板挤压渐进损伤性能。      

2A12铝合金薄板对卵形头弹抗冲击性能研究

利用轻气炮撞击实验研究卵形弹丸冲击总厚度相等的2A12铝合金单层板和双层板,分析靶板分层和板间间隙对靶板失效模式以及抗冲击性能的影响,通过高速相机图片获取弹体速度数据。实验结果表明,单层板的弹道极限高于双层板的弹道极限,包括间隙式和接触式,并且接触式双层板的弹道极限高于间隙式双层板。随着弹体初始速度增加,靶体结构对其抗侵彻性能的影响随之减小。此外,利用Abaqus软件建立了数值模拟模型对实验工况进行了计算,将数值模拟和实验结果进行了对比,两者之间存在较好的一致性,这也表明数值模拟能够有效地测靶体的弹道极限。     

基于ALE算法的船体板架射流载荷下毁伤模式分析

研究表明,近边界气泡在坍塌阶段产生的高速射流将对船用板架结构造成严重的损伤。本文利用LS-DYNA中的ALE算法对船体板架结构在射流冲击载荷作用下的破坏情况进行了模拟。首先分析简单平板在不同作用位置、速度和形状的射流载荷作用下的动态响应。在此基础上对射流冲击下加筋板结构的毁伤特性进行了研究,重点分析了结构的强弱对板架毁伤模式的影响。计算结果表明:气泡射流载荷对于船体结构的破坏具有明显的局部效应,其破坏程度非常严重,射流对加筋板的毁伤效果因冲击位置不同而有所区别。因此,在舰船结构抗爆抗冲击性能研究中,气泡载荷不容忽视。     

电热载荷对修补碳纤维增强复合材料冲击后压缩性能的影响

为了研究碳纤维复合材料(CFRP)修补结构在电热载荷环境下的冲击性能,采用自制的电热损伤测试平台,测试了修补后CFRP层板在不同电流下试样的表面温度分布和电阻变化规律,对修补后CFRP层板进行了低速冲击和冲击后剩余压缩强度(CAI)测试,并对冲击损伤失效特征进行了对比分析。结果表明:低电流对修补后CFRP层板的抗冲击性能影响较小,CAI呈现略微增长的趋势;随着电流强度的增加,电热产生的高温对修补界面层产生破坏,导致材料抗冲击性能减弱,CAI明显降低。     

纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟

推导了复合材料应变率相关三维本构关系, 并将其用于复合材料层板高速冲击损伤的数值模拟。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度退化, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料层板高速冲击的破坏过程及层板的损伤特性。数值分析结果表明, 剩余速度预报结果与实验结果吻合较好, 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂, 减小弹体直径、 增大铺层角度和层板厚度能够有效降低层板损伤面积。      

缝合复合材料层板低速冲击及冲击后压缩实验研究

通过对缝合复合材料层板进行低速冲击和冲击后压缩实验, 研究了不同类型的缝合复合材料层板的冲击损伤特性及冲击后压缩的剩余强度。实验研究表明: 基体损伤和分层是缝合层板与未缝合层板低速冲击的主要损伤模式, 缝合层板具有更好的抗冲击性能, 更高的冲击后压缩强度。缝合密度越大的层板其抗冲击性能越好, 冲击后压缩强度越高。缝合方向为0°的缝合层板较缝合方向为90°的缝合层板具有更好的抗冲击性能和更高的冲击后压缩强度。增加0°方向铺层, 减少45°、-45°方向铺层, 可以提高缝合层板的抗冲击性能和冲击后压缩强度。     

S-玻纤编织物增强层板的冲击损伤研究

采用空气炮,渗透剂增强Ｘ射线照相法对受到中心横向冲击的一系列平纹ｇｌａｓｓ／ｅｐｏｘｙ层板以及由此产生的损伤情况进行了研究,并采用有限元程度对层板的应力状态进行了分析。基于以上研究,发现;相同动能下,小质量,高速度的弹体在板中产生的损伤面积大于大质量,低速度弹体,层板铺层角的变化对冲击载荷－时间曲线无显著影响;     

狗骨式钢结构梁柱节点的冲击荷载试验研究和有限元分析

设计采用FEMA标准过焊孔构造的2个削弱型狗骨式全焊连接的钢结构梁柱节点试件,对试件施加落锤冲击荷载来模拟结构的动态倒塌效应,考察狗骨式节点削弱程度对钢框架梁柱节点抗冲击性能的影响。通过试验获得节点试件的破坏形态及其冲击荷载和位移时程曲线,分析试件冲击过程动态响应规律以及节点动态转角和耗能能力。试验结果表明:节点试件的主要破坏形态是钢梁塑性铰截面上翼缘屈服的面外变形和腹板扭曲变形;2个节点试件均具有良好的抗冲击转动能力,其最大转角均远远超过FEMA350标准抗震设计的转角限值(θ=0.077 rad)要求;削弱型狗骨式全焊连接节点相对普通全焊接节点的耗能能力和延性均明显提高。采用ABAQUS软件建立了狗骨式梁柱节点子结构的有限元分析模型,通过分析狗骨式梁柱节点在冲击作用下内力发展规律可知,狗骨式节点设计有助于构件向悬链线效应转换。     

梯形和三角形波纹夹芯板的声振特性研究

研究了梯形和三角形两种类型波纹夹芯板的声振特性。将波纹芯层等效为各向异性均质体,采用双曲正切抛物线混合变形理论（HTPSDT）建立了四边简支条件下波纹夹芯板的动力学方程和简谐声压激励下的声振耦合控制方程。利用纳维法和流固耦合界面条件进行求解,计算了梯形和三角形波纹夹芯板的固有频率和隔声量,并与有限元模拟结果进行对比,验证了理论模型的正确性,比较了两种波纹夹芯板的振动特点和隔声性能。讨论了波纹芯层结构参数变化对梯形和三角形波纹夹芯板振动和隔声特性的影响。结果表明,波纹倾角、波纹壁厚、波纹芯层高度对梯形和三角形波纹夹芯板的声振特性有着重要的影响,而且对三角形波纹夹芯板的影响更为显著。     

压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响

为确定压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响,首先对不同压缩预应力下的碳纤维/双马树脂CCF300/5428层板进行了低速冲击和准静态压痕试验,然后通过热揭层和冲击后压缩试验分别得到了层板分层面积和剩余强度。结果表明:压缩预应力会大幅降低层板的接触刚度和弯曲刚度,从而导致相同冲击能量下层板凹坑深度和背部基体开裂长度增大;对于准静态压痕过程和相同冲击能量下的冲击过程,分层起始载荷和峰值载荷均随压缩预应力的增大而减小;在相同冲击能量下,随着压缩预应力的增大,层板内部分层总面积及冲击能量吸收比不断增大,剩余压缩强度不断降低。因此,压缩预应力会降低复合材料层板的冲击损伤阻抗,对损伤容限性能不利,在对承受压缩载荷结构的试验验证过程中应考虑压缩预应力对抗冲击损伤性能的影响。      

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。     

玻璃钢纤维增强塑料薄壁管抗冲击性能的实验研究

本文采用分离式Hopkinson压杆（SHPB）实验系统,研究了玻璃钢纤维增强塑料（GFRP）薄壁管在低速冲击载荷作用下的抗冲击性能,探讨了薄壁管的截面形状和壁厚对其冲击破坏模式、动态应力-应变曲线和比吸能值（S_EA）的影响。实验结果表明：GFRP圆管的动态切线模量较方管的大,同壁厚的圆管的抗冲击性能较方管好;方管随壁厚的适当增加,抗冲击性能也增加。通过综合分析抗冲击性能评价参数,发现GFRP方管的吸能性能较圆管的好,且随壁厚的略微增加,吸能性能增强。与铝合金圆管相比,在相同实验条件下,GFRP圆管的动态压缩模量和冲击应力峰值较铝合金圆管大,峰值应变值较铝合金圆管小,比吸能值较铝合金圆管的大,GFRP管的抗冲击性能也较铝合金圆管好。其结果可为GFRP管类结构的优化设计及工程应用提供基础实验数据和给予理论指导。     

多级三角形格栅夹芯板力学分析

为了提高点阵复合材料结构的轻质高强力学特征,尤其提高其抗屈曲性能,设计了一种新型的多级三角形格栅夹芯板结构。根据等效连续介质力学方法提出了多级三角形格栅夹芯板的等效计算理论,预测了拉伸主导型多级三角形格栅夹芯板结构的等效弹性模量以及等效抗弯刚度。分析了侧压条件下多级三角形格栅夹芯板的弹性屈曲载荷和强度破坏模式。在理论模型的基础上绘制了侧压条件下多级三角形格栅夹芯板结构的失效模式图,指出了结构破坏模式与多级三角形格栅夹芯板尺寸之间的对应关系。研究表明:具有工字型截面的多级三角形格栅夹芯板结构相比于传统矩形截面格栅结构具有更高的抗弯刚度和弹性屈曲载荷,是一种性能更加优越的轻质高强点阵结构。