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兵工学报 2024年

作者：毛光辉王成王万里徐文龙北京理工大学爆炸科学与安全防护全国重点实验室山东大学高等技术研究院

内凹蜂窝结构因其独特的变形模式、出色的抗冲击和能量吸收特性以及轻质特点，在汽车工业、航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。基于传统内凹六边形蜂窝结构，引入圆角设计并通过改变圆角的排布方式，提出一种基于圆角增强的... 详细信息

内凹蜂窝结构因其独特的变形模式、出色的抗冲击和能量吸收特性以及轻质特点，在汽车工业、航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。基于传统内凹六边形蜂窝结构，引入圆角设计并通过改变圆角的排布方式，提出一种基于圆角增强的变形可控内凹蜂窝结构，采用金属3D打印技术制备变形模式为Z型和Y型的变形可控蜂窝结构。为探究其抗冲击性能，开展准静态压缩和落锤冲击实验以及有限元数值模拟，分析结构的变形模式和吸能特性。研究结果表明：新提出的新型蜂窝结构实现了变形模式的可控，通过定制的Z型和Y型变形模式，显著提高了结构的吸能性能，具有良好的压溃稳定性；在同种结构下，吸能性能随着圆角半径的增大逐渐提高；随着速度的增加，结构变形模式逐渐向I型压溃演变，结构的平台力大致呈现出递增的趋势，吸能效率逐渐降低；Z型结构因其圆角的非对称排布，在多数情况下其抗冲击性能优于Y型结构。研究结果可为动态冲击作用下，新型结构的耐撞性设计提供参考。

关键词：内凹蜂窝结构圆角设计 3D打印吸能特性变形模式动态冲击

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X型内凹蜂窝结构的拉伸力学行为研究

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机械强度 2020年第4期42卷 896-900页

作者：王梁刘海涛河北工业大学机械工程学院天津300401

基于内凹机制,将星型和内凹六边形的微结构相结合,设计一种新型内凹蜂窝结构模型(简称X型结构)。针对该结构模型,给出了其相对密度,以达到轻量化的目的。采用有限元软件Abaqus对该结构进行轴向拉伸力学行为研究,得到了该结构的尖端内凹... 详细信息

基于内凹机制,将星型和内凹六边形的微结构相结合,设计一种新型内凹蜂窝结构模型(简称X型结构)。针对该结构模型,给出了其相对密度,以达到轻量化的目的。采用有限元软件Abaqus对该结构进行轴向拉伸力学行为研究,得到了该结构的尖端内凹角、单元壁厚度、外夹角以及材料属性对等效弹性模量和泊松比的变化规律。数值结果表明:影响结构的重要因素是外夹角,随着外夹角在一定范围内的增加,使得其等效弹性模量和泊松比随之增大,在外夹角达到约67°时,该结构为零泊松比结构;当单元壁厚度越大,结构的负泊松比效应越明显,等效弹性模量也越来越大;当尖端内凹角越小,负泊松比效应越强。该研究结果可为新型负泊松结构的优化设计提供新的借鉴思路。

关键词：负泊松比内凹蜂窝结构力学性能轻质结构

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局部冲击下复合材料内凹蜂窝结构动态响应及失效机理研究

局部冲击下复合材料内凹蜂窝结构动态响应及失效机理研究

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作者：曾威华中科技大学

学位级别：硕士

具有负泊松比效应的内凹蜂窝结构为舰船防护结构的设计提供了一种新型结构形式。将碳纤维增强复合材料应用到内凹蜂窝结构上,形成了结构-功能一体化的新型复合结构,符合现代船舶结构轻量化和快速性的设计要求。本文对碳纤维增强复合材... 详细信息

具有负泊松比效应的内凹蜂窝结构为舰船防护结构的设计提供了一种新型结构形式。将碳纤维增强复合材料应用到内凹蜂窝结构上,形成了结构-功能一体化的新型复合结构,符合现代船舶结构轻量化和快速性的设计要求。本文对碳纤维增强复合材料内凹蜂窝结构的设计、制备、弯曲力学性能以及抗冲击响应展开了研究。主要研究内容如下:(1)基于功能梯度材料的设计概念,提出了正梯度、均匀和负梯度三种不同壁厚梯度的复合材料内凹蜂窝结构。通过模具热压和粘接成型工艺制备了碳纤维增强复合材料内凹蜂窝结构。对复合材料内凹蜂窝结构开展了三点弯曲实验,得到了结构的载荷-位移曲线和失效模式,分析了相对密度和壁厚梯度形式对结构弯曲性能的影响。结果表明,结构的弯曲失效载荷和载荷/位移比值随着相对密度的增大而显著增大。对复合材料内凹蜂窝结构进行壁厚负梯度形式设置能够在一定程度上减小结构的失效破坏,但是弯曲性能没有得到有效提升。(2)通过开展泡沫铝弹体高速撞击实验,对不同相对密度的复合材料内凹蜂窝结构进行局部冲击载荷下的抗冲击性能研究。获得了不同冲量载荷下结构的典型失效模式,主要包括前面板的分层、纤维断裂和基体开裂失效,芯层压溃导致的胞元分层和纤维断裂失效,后面板在弯曲拉伸下引起的分层失效等。探究了冲击强度、相对密度对结构动态响应及失效模式的影响。结果表明,随着相对密度的增大,芯层和后面板的破坏程度减小,结构的整体响应增强。在结构完全失效前,后面板中心的最大横向变形随着无量纲冲量的增加而线性增大。增加结构的相对密度能够有效地减小后面板的最大横向变形,提高结构的抗冲击性能。采用渐进损伤模型,对局部冲击载荷下结构的动态力学行为进行了数值模拟研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。(3)通过对不同壁厚梯度的复合材料内凹蜂窝结构开展泡沫弹撞击实验和数值模拟分析,获得了梯度结构在局部冲击载荷下的动态响应过程和失效行为。研究了梯度形式对复合材料内凹蜂窝结构在局部冲击载荷作用下抗冲击性能的影响。结果表明,对结构进行壁厚梯度设置能够减小后面板的最大横向变形,降低失效破坏程度,提高其抗冲击性能。壁厚负梯度分布的内凹蜂窝结构相比于正梯度结构具有更好的承载能力,并且随着冲击载荷强度的增大,抗冲击性能优势更加明显。

关键词：复合材料内凹蜂窝结构局部冲击动态响应失效机理

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复合材料梯度负泊松比内凹蜂窝结构水下冲击毁伤机理研究

复合材料梯度负泊松比内凹蜂窝结构水下冲击毁伤机理研究

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作者：余胜华中科技大学

学位级别：硕士

负泊松比结构作为一种新型的力学功能性结构,在遭受外部冲击载荷下表现出良好的抗冲击吸能效果,对于舰船航行安全具有重大意义。碳纤维复合材料具有质轻、可设计性强以及优秀比强度、比模量。同时相较于传统的金属材料,其还具有明显的... 详细信息

负泊松比结构作为一种新型的力学功能性结构,在遭受外部冲击载荷下表现出良好的抗冲击吸能效果,对于舰船航行安全具有重大意义。碳纤维复合材料具有质轻、可设计性强以及优秀比强度、比模量。同时相较于传统的金属材料,其还具有明显的耐腐蚀等优点。另一方面,舰艇面临的外部攻击除了接触式的导弹和鱼雷弹体直接冲击对舰船等结构造成不可逆损伤,非接触式水下爆炸载荷冲击波的冲击破坏形式也越来越受到海洋工程与军事舰船发展的重视。然而,学者们主要进行了均匀各向同性材料的内凹蜂窝结构静态性能和接触冲击性能的研究,对于碳纤维内凹蜂窝结构的静态力学性能和非接触水下爆炸冲击性能的研究还有所欠缺。综上所述,对于碳纤维复合材料夹芯结构在水下爆炸冲击载荷作用下的动态响应和抗冲击性能的研究是很有必要的。本文的研究工作主要包括以下几点:(1)基于梯度设计理念,定义了梯度内凹蜂窝结构的几何构型,并通过热压模具成型法制备相应的碳纤维负泊松比内凹蜂窝结构。通过试验机开展结构的准静态压缩试验,以研究碳纤维内凹蜂窝结构准静态压缩性能并且揭示内凹蜂窝结构在准静态压缩载荷下所展示的负泊松比变形特性和失效机理。结果表明,双向梯度内凹蜂窝结构较单向梯度和均质内凹蜂窝结构具有更明显的负泊松比特性,而同等相对密度下的均质结构展现出更好的能量吸收能力。(2)通过分析相同面积不同声阻抗杆撞击的应力波传播过程,结合波阵面的相容条件推导并证明采用冲击碰撞形式产生指数衰减爆炸冲击波模拟水下爆炸冲击波的原理和合理性。其次,使用热压模具成型方法制备三种不同梯度形式内凹蜂窝结构。通过一级轻气炮系统加速飞片冲击活塞模拟水下爆炸指数式衰减冲击波,研究气背条件下不同压力峰值和衰减时间对于水体中的流固耦合响应的影响。结果表明,压力峰值的增大会使空化产生更靠近流固界面,且使空化持续时间更久。对比同等条件下不同梯度形式结构的流固耦合响应,均质结构较梯度结构展现出更好的抗水下爆炸冲击能力。(3)使用一级轻气炮冲击扩散角式激波管产生高幅值水下爆炸冲击波,并加载到不同梯度形式和相对密度的内凹蜂窝结构。通过高频压力传感器和高速相机分别收集和记录激波管测点处的冲击波压力和水下爆炸冲击波作用下结构的变形过程。通过对比三种冲量下同等相对密度下不同梯度形式和不同相对密度的变形失效情况和背板变形情况得出梯度形式和相对密度对于结构抗冲击特性的影响。结果表明,在低冲量和中等冲量下,逆梯度和均质结构的抗冲击性能较顺梯度更好,而高冲量时均质结构的抗冲击性能最好。另一方面,提高结构的相对密度对于提高结构的抗冲击性能更加明显。

关键词：复合材料水下爆炸流固耦合内凹蜂窝结构负泊松比效应

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复合材料负泊松比结构振动和阻尼性能研究

复合材料负泊松比结构振动和阻尼性能研究

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作者：马国林哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

作为新一代先进的吸能、耗能结构,负泊松比结构的力学性能得到了国内外学者的广泛关注。目前,关于该结构的设计制备、静力学性能以及冲击吸能等方面已获得大量研究成果,但对该结构的振动阻尼性能的研究仍处于起步阶段。本文基于结构阻... 详细信息

作为新一代先进的吸能、耗能结构,负泊松比结构的力学性能得到了国内外学者的广泛关注。目前,关于该结构的设计制备、静力学性能以及冲击吸能等方面已获得大量研究成果,但对该结构的振动阻尼性能的研究仍处于起步阶段。本文基于结构阻尼一体化思想,设计了复合材料双箭头和内凹蜂窝两种负泊松比结构和混杂复合材料负泊松比波纹夹芯板结构,通过数值模拟与实验表征的方法研究其固有振动特性与阻尼性能。主要包括以下内容。首先设计了二维双箭头与内凹蜂窝负泊松比结构,基于模态应变能法,采用数值方法研究了几何参数对结构振动与阻尼性能的影响。结果表明,结构的几何参数的变化能够有效的改变结构的固有频率与阻尼损耗因子。之后在二维结构的基础上,设计出三维双箭头与内凹蜂窝结构,研究了结构的几何参数与纤维铺层角度对固有频率与阻尼损耗因子的影响。研究发现,相对于三维内凹蜂窝结构,三维双箭头结构的固有频率对单胞角度更加敏感。最后采用共固化模压成型法制备了含粘弹性阻尼层的混杂复合材料负泊松比波纹夹芯板,采用数值模拟与实验表征的方法研究其振动与阻尼性能。研究发现,相较于复合材料负泊松比波纹夹芯板,多级材料混杂复合材料在不明显改变结构刚度的同时能显著提高结构的阻尼损耗因子,降低结构共振幅值。

关键词：负泊松比结构模态应变能法双箭头结构内凹蜂窝结构阻尼损耗因子

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船用泡沫填充负泊松比蜂窝平压特性分析

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船舶标准化工程师 2023年第5期56卷 6-10页

作者：钱卫东徐源郁荣刘敬喜中国船舶科学研究中心江苏无锡214082 无锡职业技术学院机械技术学院江苏无锡214121 华中科技大学船舶与海洋工程学院武汉430074

为提高制备工艺性能,提出一种基于层叠构型的内凹负泊松比蜂窝结构的构型及制备方法,并对泡沫填充负泊松比蜂窝结构开展平面压缩试验研究。结果表明:泡沫填充内凹负泊松比蜂窝结构在受压时拥有较高的比吸能率,是一种吸能特性优良的复合... 详细信息

为提高制备工艺性能,提出一种基于层叠构型的内凹负泊松比蜂窝结构的构型及制备方法,并对泡沫填充负泊松比蜂窝结构开展平面压缩试验研究。结果表明:泡沫填充内凹负泊松比蜂窝结构在受压时拥有较高的比吸能率,是一种吸能特性优良的复合构型。研究成果为该新型复合结构构型在船用舷侧防撞吸能结构的应用奠定理论基础。

关键词：内凹蜂窝结构泡沫填充负泊松比平压试验

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