负泊松比点阵结构填充薄壁管轴向压缩行为及吸能特性

薄壁填充结构具有轻量化、高比吸能的优点,被广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通等工程领域。负泊松比结构在受到冲击时力学性能会逐渐增强,因此本文基于双箭头型负泊松比点阵提出一种新型薄壁填充管吸能结构,通过准静态压缩实验和有限元数值模拟方法研究了新型填充管在压缩载荷作用下的变形失效模式与力学响应。建立了平均碰撞力的理论预测模型,并通过有限元分析验证了模型可靠性,在此基础上研究了负泊松比点阵结构的细观设计参数对填充管抗压缩性能的影响规律。结果表明,填充管在压缩载荷作用下的失效模式为局部屈曲失效,相比于单一薄壁管与点阵结构,填充管具有更好的抗压缩性能;通过参数分析明确了通过增加胞元杆件壁厚和下支撑杆夹角,能显著提高填充管抗压缩性能,这将为后续负泊松比点阵填充结构的抗冲击优化设计提供重要参考。     

泡沫填充多边形单锥管与双锥管斜向加载下耐撞性分析

锥形泡沫填充结构结合了泡沫填充结构与锥形结构的优势,具有优异的吸能性和抵抗失稳变形的能力。研究了具有不同横截面的泡沫填充多边形单锥管(FSPTTs)与泡沫填充多边形双锥管(FBPTTs)在四种冲击角度下的耐撞性。采用多准则评估方法(COPRAS)对不同横截面的泡沫填充单锥管与泡沫填充双锥管的综合耐撞性进行了评估。评估表明:综合考虑多种冲击角度时,圆形截面泡沫填充单锥管较其他截面泡沫填充单锥管具有更好的耐撞性;圆形截面泡沫填充双锥管较其他截面泡沫填充双锥管具有更好的耐撞性。最后,针对圆形截面泡沫填充单锥管与圆形截面泡沫填充双锥管,以最大比吸能和最小峰值力为目标,采用非支配遗传算法对这两种结构在四种冲击角度下进行了多目标优化。结果表明:当冲击角度从0°变化到10°时,两种结构的Pareto曲线变化不大,而当冲击角度从10°变化到30°时,冲击角度对Pareto曲线形状和位置有显著影响;在冲击角度为0°和10°时,圆形截面泡沫填充双锥管的耐撞性优于圆形截面泡沫填充单锥管,而在冲击角度为20°和30°时,圆形截面泡沫填充单锥管的耐撞性优于圆形截面泡沫填充双锥管。实际应用中,可以根据工程需要选择合适的结构。     

基于不同构型辅助梁的民机尾翼前缘设计与抗鸟撞性能研究

民用飞机对尾翼前缘的抗鸟撞性能有很高要求。某型民机尾翼前缘原始辅助梁为铝合金机加件,为了优化其抗鸟撞性能,提出了两种使用铝合金钣金辅助梁的尾翼前缘新构型。通过PAM-CRASH软件对三种前缘的抗鸟撞性能进行了数值计算,并根据计算结果在两种新构型中选择了抗鸟撞性能更好的作为优选构型。针对前缘原始构型和和优选构型开展鸟撞试验和试后计算分析。数值计算和试验结果都表明,该研究提出的带"波纹加强筋"的钣金辅助梁结构没有硬点,且材料延展性较好,可以通过结构发生大变形、紧固件大量失效吸收鸟撞过程中的能量,从而大幅提高尾翼前缘的抗鸟撞性能,而且该结构还具有明显的质量优势,可以应用于民机尾翼前缘抗鸟撞设计。     

飞机尾翼前缘结构鸟撞仿真与改进设计

基于疏散鸟体动能的防鸟撞策略,以提高结构刚度和抑制变形为目标,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对现有飞机尾翼前缘结构鸟撞过程进行了数值研究。根据模拟结果,通过增加单向斜支板结构和采用纤维/金属复合材料,实现了从结构和材料两个方面对尾翼前缘结构进行改进设计。结果表明,前缘增加的单向斜支板结构可以通过疏散鸟体动能来降低鸟撞冲击对尾翼内部结构的破坏,而采用纤维金属复合材料则减轻了前缘曲翼约10%的质量,且提高了整体刚度,并使结构在鸟撞过程中最大变形降低到原始构型的25%。通过分析不同铺层方式下材料的破坏模式和吸能效果,发现合理的铺层设计可显著提高尾翼前缘结构的抗鸟撞性能。     

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。     

新颖圆形多胞复合填充结构的耐撞性

提出一种新颖的圆形多胞复合填充结构,该结构采用蜂窝和泡沫两类材料的交错复合填充。采用实验验证与数值研究相结合的方法,系统地研究了蜂窝和泡沫材料在全填充、部分填充及交互填充结构中的耐撞性。研究结果表明,针对单一材料填充的多胞圆管,部分填充结构比全填充结构具有更好的耐撞性能,其中,环形蜂窝填充结构（H40）和中心泡沫填充结构（F01）具有更优异的能量吸收特性。针对双材料复合填充的多胞圆管,则是中心泡沫填充与环形蜂窝填充的复合结构（F01H40）具有最佳的耐撞吸能性。最后,进一步结合Kriging近似技术与粒子群数值优化方法,对复合填充结构进行多目标优化设计,探索其最优耐撞性与最优参数匹配。结果表明,环形蜂窝部分填充结构（H40）、中心泡沫填充与环形蜂窝填充的复合全填充结构（F01H40）具有最优的耐撞性能。     

新型CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性研究EI北大核心CSCD

点阵夹芯结构因其优异的力学性能、出色的能量吸收能力、独特的功能性,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而,传统点阵夹芯结构在面外压缩载荷下存在应力分布不均匀、节点应力集中等缺点。为了解决上述问题,该研究基于体心立方结构(body-centered cubic,BCC)提出了一种新型的余弦函数单元基(cosine function cell-base,CFCB)点阵结构。为了研究CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性,制备了CFCB点阵夹芯结构,开展了准静态压溃试验,并与BCC点阵夹芯结构的试验结果进行对比。结果表明,CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下的承载与能量吸收能力明显优于BCC点阵夹芯结构。随后,基于有限元模型,系统揭示了芯子单胞直径、幅值、周期长度等胞元参数及厚度方向上的单胞层数对CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下吸能特性的影响。相关研究成果有望为新型CFCB点阵夹芯结构设计提供参考。     

陶瓷棒填充点阵金属夹层结构的制备及抗侵彻实验

为提高轻量化复合装甲的抗侵彻能力,提出了内部填充陶瓷棒并由混杂短切玻璃纤维的环氧树脂封装的点阵金属夹层防护结构。首先,通过弹道冲击实验研究了陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的抗弹丸侵彻能力;然后,结合失效模式和吸能效率,综合分析了该夹层防护结构的抗侵彻机制。结果表明:陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的主要失效模式包括点阵金属结构和混杂填充材料的拉伸断裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破坏以及背板的总体弯曲变形。在球形弹丸侵彻过程中,由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形,防护结构的抗侵彻能力得到大幅提高。研究结果可为新型轻质复合装甲的防护设计提供一定参考。      

基于拓扑优化与诱导结构的抗撞结构优化设计EI北大核心CSCD

鉴于耐撞性拓扑方法在实际使用中只能获得抗撞结构的初级拓扑构型,导致抗撞结构的碰撞安全性仍有进一步提升空间的问题,以耐撞性拓扑优化为基础,获得了抗撞结构的初级拓扑构型,在初级拓扑构型的适当位置设置诱导结构,得到最终吸能单元构型,再利用稳健性设计方法获取最终构型的最优尺寸参数,较好地弥补了基于最大吸能原则的耐撞性拓扑方法的不足。算例表明,所提的优化设计方法灵活有效,基于该方法得到的抗撞结构可以更好地满足设计要求。     

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。     

变弯度机翼前缘结构抗鸟撞仿真与试验验证

与常规机翼不同,变弯度机翼抗鸟撞装置在设计时需要考虑变弯度机翼的机构运动路线,在保证不影响机翼机构正常功能的前提下进行设计,因此也大大增加了抗鸟撞装置设计的难点。通过试验与仿真相结合的方法,对不同构型楔形结构的抗鸟撞性能进行研究,得到了最合理、有效的抗鸟撞结构;根据鸟撞仿真分析结果,结合机翼机构运动路线,确定了抗鸟撞装置的设计思路,同时设计并制造了三角加弧形结构抗鸟撞装置,并对其进行了试验验证与仿真分析。结果表明,三角加弧形结构能有效预防变弯度机翼在受到鸟撞后发生破坏,为变弯度机翼抗鸟撞结构的设计提供参考。     

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。     

鸟撞过程中撞击位置与撞击姿态对风扇叶片损伤影响研究

为研究鸟撞风扇叶片过程中撞击位置及撞击姿态对风扇叶片瞬态冲击响应的影响,通过CT扫描建立光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics, SPH)绿头鸭模型,根据相对速度原则对五个撞击位置和十五种撞击姿态的旋转风扇-鸟体撞击过程进行模拟。获得了撞击位置及撞击姿态对叶片不同位置应力响应及位移响应的影响规律。结果表明:在鸟撞叶片过程中叶片前后叶根以及前后缘易发生应力集中,在撞击过程中该区域最易发生损伤变形,且前叶根要比后叶根受到的应力更大,更易发生损伤变形;鸟撞击2/6叶高位置时,叶片受到的撞击力、叶根处及前缘处应力最大;Y-135°、Y-270°、Y-315°、Z-135°及Z-315°撞击姿态下前叶根受到的等效应力最大,Z-135°撞击姿态下后叶根受到的等效应力最大,Y-270°撞击姿态下前缘接触处位移最大。研究结果对航空发动机风扇叶片抗鸟撞设计及适航评估具有参考价值。     

闭孔泡沫Al-Cu填充铝合金薄壁管的低速冲击性能

目的 研究闭孔泡沫Al-Cu填充铝合金薄壁管在低速冲击载荷下的力学及吸能性能,探究泡沫Al-Cu与铝合金薄壁管之间的交互作用。方法 采用粉末冶金发泡法制备闭孔泡沫Al-Cu,并将其直接填充到铝合金薄壁管中,获得闭孔泡沫Al-Cu填充薄壁管(简称“填充管”)。采用万能电子试验机和冲击试验机对试样进行力学及吸能性能测试,采用VIC-3D系统和高速摄像机观察试样的宏观变形行为,采用扫描电子显微镜(SEM)分析试样的微观断口形貌。结果 在不同冲击能量下,泡沫Al-Cu具有较稳定的吸能特性。在相同位移下,较大冲击能量下的填充管能够吸收更多能量。与薄壁管相比,受冲击后填充管的形变较小且其冲击曲线更加平稳,表明泡沫Al-Cu芯材的填入能够增强变形稳定性及整体吸能能力。与泡沫Al-Cu相比,填充管受应变率影响较小,可在较宽应变率范围内稳定吸能,较高应变率下的冲击会导致泡孔发生脆性断裂。结论 填充泡沫Al-Cu芯材能够提高薄壁管受冲击载荷时的变形稳定性,两者之间的相互作用使填充管结构具有更好的吸能性能。     

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。     

金属三维点阵结构拓扑构型研究及应用现状综述

金属三维点阵结构是一种具有轻质、高比强度、高比刚度以及多功能潜力的新型结构材料,近年来受到了国内外研究领域及工程技术领域的广泛关注。概述了不同拓扑构型的金属三维点阵结构,包括体心立方结构(BCC)、面心立方结构(FCC)和其衍生而来的拓扑结构、金字塔拓扑结构、变密度结构、钢丝绕织结构及几种针对加工限制而提出的拓扑结构,介绍了金属三维点阵结构的应用现状,分析了目前拓扑构型研究及应用研究所存在的问题。并在此基础上,指出金属三维点阵结构研究的发展趋势和可能的研究方向,为金属三维点阵结构及相关研究提供了参考。     

泡沫填充夹芯墙多胞结构的耐撞性多目标优化设计

泡沫填充管由于其优秀的能量吸收性能引起越来越多的关注。根据对丝瓜结构的研究,提出一种与丝瓜横截面类似的泡沫填充夹芯墙多胞结构。基于非线性有限元软件LS-DYNA,建立此种泡沫填充夹芯墙多胞结构的轴压分析有限元模型。基于多项式代理模型,采用多目标粒子群优化算法对不同截面形状的多胞结构进行了优化设计。根据优化结果对不同结构的选择给出指导性意见,使结构在满足峰值力限制的情况下拥有最好的吸能特性。本文提出的新型结构在车辆工程及航空航天等领域具有很好的应用前景。     

聚脲涂覆三维负泊松比点阵夹层结构在碰撞冲击作用下的动态响应试验

针对四面内凹金字塔型负泊松比点阵夹层结构在有无聚脲涂覆两种情况下的抗冲击力学性能进行了研究。采用增材制造方法制作负泊松比点阵结构,通过长直杆冲击试验得到负泊松比点阵夹层结构在碰撞载荷作用下的变形过程、吸能特性和破坏模式。试验结果表明:涂覆聚脲可使该型负泊松比点阵夹层结构提高17%以上的总吸能,增强结构的整体抗冲击能力,显著降低前面板的内凹变形,有效避免芯层大范围的坍塌破坏。相比于未涂覆聚脲模型,涂覆聚脲的负泊松比点阵夹层结构在受冲后保持完整,芯层仍具有承载能力,表现为塑性弯曲变形。     

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     

多弧段曲边内凹蜂窝可调泊松比结构的力学性能研究

该文提出一种多弧段曲边内凹可调泊松比新型胞元。通过调整弧角,可以设计得到正泊松比、零泊松比和负泊松比的胞元结构。利用能量法求得结构的等效泊松比与等效弹性模量解析表达式,所得结果与有限元结果吻合较好。基于提出的新型胞元构建多胞蜂窝结构,利用数值方法讨论了低速和高速冲击作用下,正泊松比、零泊松比和负泊松比结构的冲击变形失效行为与单位质量能量吸收率。研究发现：低速冲击时,三种泊松比(正/零/负)结构的局部变形不同;高速冲击时,惯性效应使局部变形集中在冲击端,三种泊松比(正/零/负)结构的胞元变形模式不同。不论低速还是高速冲击,负泊松比结构都表现出优异的吸能效果。随着壁厚的增加,结构的吸能效果显著增强。