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双面梯度多角薄壁结构的吸能特性

吉林大学学报（工学版） 2019年第5期49卷 1584-1592页

作者：周俊先秦睿贤陈秉智大连交通大学机械工程学院辽宁大连116021 大连交通大学机车车辆工程学院辽宁大连116021

梯度厚度和多折角设计是提升薄壁结构吸能效率的两种有效策略,将这两种策略联合,提出了具有双面梯度厚度的多角薄壁结构(包括方管和非凸多角管),并对其在轴向冲击下的力学行特性进行了理论分析,推导了该结构的平均撞击力理论模型。基于... 详细信息

梯度厚度和多折角设计是提升薄壁结构吸能效率的两种有效策略,将这两种策略联合,提出了具有双面梯度厚度的多角薄壁结构(包括方管和非凸多角管),并对其在轴向冲击下的力学行特性进行了理论分析,推导了该结构的平均撞击力理论模型。基于显示非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对该结构进行了仿真实验研究,且仿真实验结果与理论预测值有较好的一致性。实验结果表明:增加折角数和提升厚度梯度均可有效提升管件的吸能效率。作为梯度厚度策略与多角薄壁结构的联合,具有双面梯度厚度的非凸多角管相比传统均匀厚度的方管在比吸能上提高148%~205%,充分展现了这种联合策略在提升薄壁结构耐撞性方面的高效性。

关键词：薄壁结构轴向冲击梯度厚度能量吸收压溃模式

含椭圆度和腐蚀缺陷海底管道的压溃承载能力研究

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船舶力学 2023年第7期27卷 1096-1108页

作者：谢鹏常江涛陈信斌中山大学海洋工程与技术学院广东珠海519082

深水海底管道在服役过程中,在管道内部腐蚀介质及外部海水复杂条件作用下,管道会形成腐蚀、椭圆度等几何缺陷,在海水压力作用下,还容易发生压溃并造成管道失效。本文研究建立了椭圆度+腐蚀缺陷海底管道模型,基于RIKS方法对管道的压溃过... 详细信息

深水海底管道在服役过程中,在管道内部腐蚀介质及外部海水复杂条件作用下,管道会形成腐蚀、椭圆度等几何缺陷,在海水压力作用下,还容易发生压溃并造成管道失效。本文研究建立了椭圆度+腐蚀缺陷海底管道模型,基于RIKS方法对管道的压溃过程进行数值模拟,分析了不同椭圆度以及内腐蚀缺陷长度、宽度和深度对管道压溃压力和压溃模式的影响,系统地研究了椭圆度和内腐蚀缺陷对海底管道压溃响应的相互作用机理。结果表明:海底管道发生压溃时,有多种压溃模式,如“∞”型、“8”型和“U”型,压溃模式与椭圆度和初始缺陷的尺寸密切相关;当椭圆度较小时,压溃模式主要受腐蚀缺陷尺寸影响,腐蚀缺陷长度的增加会使管道发生“8”型压溃模式,腐蚀缺陷深度和宽度的增加会使管道发生“U”型压溃模式;当椭圆度较大时,压溃模式主要受椭圆度影响,此时无论腐蚀缺陷尺寸如何变化,管道压溃模式均为“∞”型或“U”型;当压溃模式为“∞”型或“U”型时,管道压溃压力随椭圆度的增大而减小;当管道压溃模式为“8”型时,管道压溃压力随椭圆度的增大而增大;在椭圆度不变的情况下,腐蚀缺陷尺寸的增大会使压溃压力减小。

关键词：海底管道椭圆度腐蚀缺陷压溃模式压溃压力

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藤壶仿生结构的准静态压缩力学特性

藤壶仿生结构的准静态压缩力学特性

作者：肖辰坤广州大学

学位级别：硕士

随着工业化的不断发展,各领域对具有高吸能性能的轻质结构的需求也不断增加。因此制造出具有优异吸能性能的轻质结构对航天航空、交通运输、土木工程等领域发展起到保驾护航的作用。自然界生物经过优胜劣汰对自身结构进行多次优化,研究... 详细信息

随着工业化的不断发展,各领域对具有高吸能性能的轻质结构的需求也不断增加。因此制造出具有优异吸能性能的轻质结构对航天航空、交通运输、土木工程等领域发展起到保驾护航的作用。自然界生物经过优胜劣汰对自身结构进行多次优化,研究人员受到大自然的启发,通过模仿自然生物的外部轮廓和内部结构设计出吸能性能优于传统结构的新颖结构。因此本文延续仿生结构的研究热点,利用仿生方法设计出具有优良吸能性能的新型轻量化结构。本文通过对藤壶生物的观察,设计了多种生物启发的薄壁结构,并研究了这些结构在准静态条件下的力学性能。从实验、数值和理论三个方面研究了波纹锥形管(简称BLCTT)的波纹数目和波纹幅值对3D打印仿生锥形管结构变形和吸能性能的影响。结果表明,波纹振幅和波纹数对能量吸收参数有显著影响,适当控制波纹数和波纹幅值可显著提高比能量吸收。波纹锥形管的比吸能(SEA)最高可比传统锥形管提高15.75%。此外,还研究了斜载荷作用下波纹锥管的耐撞性。结果表明,在不同加载角度荷载作用下波纹锥形管的吸能性能均由于传统结构且当加载角为20°时,波纹锥形管有最优的表现其SEA比圆柱管高出41.56%。此外,研究了多胞元结构(简称BMTT)的吸能性能,其吸能性能明显优于常规结构。其中,16单元的多胞元锥形管的SEA约为常规管的1.97倍,该类结构更适用于工程领域中。最后本文还对两种阶层结构的能量吸收特性进行研究,分别研究了子结构数目和壁厚比值两个参数对结构吸能性能的影响,结果发现:阶层结构(简称HTT)随着子结构数目的增加,能量吸收效果也有所提升。对子结构数目为4的波纹阶层结构(HCTT)内外壁厚比值研究表明,吸能、比吸能、平均破碎力和破碎力效率随着内外壁厚比λ的增加而减小,峰值力随着λ的增加而增加。当λ=0.4时,仿生HCTT结构具有最高的比吸能(40.87 k J/kg)和破碎力效率(85.45%),是经济实用的仿生吸能结构设计。

关键词：仿生结构准静态压缩能量吸收指标参数分析压溃模式荷载-位移曲线

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仿生多密度梯度泡沫填充结构的能量吸收

仿生多密度梯度泡沫填充结构的能量吸收

作者：邹世淼广州大学

学位级别：硕士

在航空航天、交通运输、核反应堆和土木工程等一系列工程领域中,对具有高吸能能力的轻型结构的需求正在增加。因此,具有优良吸能能力的轻质结构的可用性对于许多工程应用是至关重要的。受自然界中许多生物结构的启发,仿生结构在能量吸... 详细信息

在航空航天、交通运输、核反应堆和土木工程等一系列工程领域中,对具有高吸能能力的轻型结构的需求正在增加。因此,具有优良吸能能力的轻质结构的可用性对于许多工程应用是至关重要的。受自然界中许多生物结构的启发,仿生结构在能量吸收能力上较传统结构有显著的提高。因此,利用仿生方法设计具有优良吸能能力的新型轻量化结构是近年来工程领域的研究热点。本文提出了一种新型仿生多层次梯度泡沫填充结构(简称MGFS),该结构的灵感来自于人体骨骼的分层密实的特点。通过实验、理论和数值模拟等手段,系统的研究了仿生MGFS在准静态轴向压缩下的能量吸收特性。首先,引用了一个理论公式对仿生MGFS的平均压溃力进行了预测,预测结果与实验结果吻合较好。然后对实验模型进行了有限元分析,有限元分析表明,Model-1(泡沫密度从内向外分别为250 kg/m,400 kg/m,550 kg/m)是最佳的组合。与传统的泡沫填充结构相比,仿生MGFS具有更好的能量吸收性能。有限元分析的结果与实验结果吻合较好。参数化研究表明,铝管的长度、直径、厚度和泡沫的密度对仿生结构的吸能能力有显著的影响,但当长径比小于2时,仿生MGFS的吸能指标SEA和P对长度的变化不敏感。本文还对准静态侧向压缩荷载下的两种类型的仿生MGFS的能量吸收特性进行了研究。数值模拟表明,案例1中的Model-2(泡沫密度从内向外分别为250kg/m,550 kg/m,400 kg/m)具有最高的SEA和P;案例2中的Model-6(泡沫密度从内向外分别为550 kg/m,400 kg/m,250 kg/m)也具有最高的SEA和P,说明这两种模型的配置是设计高能量吸收能力的吸能器的最佳组合。参数化研究表明,铝管厚度、直径和铝泡沫密度均会对仿生MGFS的能量吸收指标SEA和P产生影响。本研究为设计高吸能效率的泡沫填充吸能器提供了有效的指导。

关键词：仿生多密度梯度泡沫填充结构准静态轴向压缩准静态侧向压缩能量吸收指标参数化分析压溃模式荷载-位移曲线

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轴向冲击下铝合金薄壁结构的动态响应研究

轴向冲击下铝合金薄壁结构的动态响应研究

作者：袁婷北京理工大学

学位级别：硕士

薄壁壳结构由于结构简单,且具有高比能、高容积效率等优势,被广泛应用在军事、工业等领域。由于在冲击吸能和耐撞性等方面的实际需求,薄壁壳结构在轴向冲击载荷作用下的动态失稳问题越来越受到人们的重视。本文开展轴向冲击实验和数值计... 详细信息

薄壁壳结构由于结构简单,且具有高比能、高容积效率等优势,被广泛应用在军事、工业等领域。由于在冲击吸能和耐撞性等方面的实际需求,薄壁壳结构在轴向冲击载荷作用下的动态失稳问题越来越受到人们的重视。本文开展轴向冲击实验和数值计算,对薄壁壳结构的动态稳定性问题进行了较为系统的研究。主要的工作和结论如下:(1)使用落锤和SHPB子弹以不同速度撞击三种材料、不同尺寸的薄壁圆柱壳,利用高速摄影记录结构动态响应的全过程。实验结果表面:屈服强度较低的纯铝薄壁圆柱壳破坏程度相对严重,但是由于较高的延伸率,呈现出花瓣状破坏形态。屈服强度较高的LY12铝合金薄壁圆柱壳在低速冲击下出现圆形的外鼓波纹,当冲击速度较高时,壳壁上产生母线裂纹,随着母线裂纹的扩展,壳壁卷曲碎裂。A6060铝合金的薄壁圆柱壳主要发生动态渐进屈曲,呈现出非轴对称三角形、非轴对称四边形的屈曲模态。除了材料以外,圆柱壳的结构尺寸和冲击参数也会显著影响结构的压溃模式。(2)对轴向冲击载荷作用下铝合金薄壁圆柱壳的动态响应行为进行数值计算。研究尺寸和冲击动能对圆柱壳压溃模式、轴向缩短率、特征载荷等响应参数的响规律。结果表明,结构的几何尺寸、冲击块的速度以及冲击动能会影响薄壁圆柱壳的压溃模式。此外,通过对计算结果进行拟合,得到了平均后屈曲载荷、峰值载荷与平均后屈曲载荷的比值随径厚比的变化关系(3)为了研究筋条对薄壁圆柱壳动态承载力的影响规律,使用LS-DYNA对轴向冲击载荷作用下,不同尺寸、不同加筋条件的铝合金薄壁圆柱壳进行数值计算。计算结果表明:临界载荷随着筋条数目的增加近似呈线性增加。随着蒙皮厚度的逐渐增加,结构的响应由局部蒙皮失稳过渡到整体的失稳。速度较低时,结构的响应主要是一种弹性响应;随着速度的提高,结构逐渐出现塑性大变形,而其表现出的壳壁与筋条的反复内凹和外凸则对应着载荷时程曲线上周期性的波峰、波谷。

关键词：薄壁结构冲击动能压溃模式临界载荷轴向缩短率

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复合材料对称元件的缓冲吸能性能研究

热固性树脂 2004年第3期19卷 39-46页

作者：刘瑞同林建平王鑫伟同济大学现代先进制造技术研究所上海200092 南京航空航天大学结构与强度研究所江苏南京210016

复合材料对称元件的缓冲吸能特性受到越来越多的关注,并已在工程中得到应用。试验研究表明在相同重量下,设计合理的复合材料对称元件可以比金属元件吸收更多的冲击能量。在笔者的研究基础上,综述了复合材料对称元件缓冲吸能性能试验研... 详细信息

复合材料对称元件的缓冲吸能特性受到越来越多的关注,并已在工程中得到应用。试验研究表明在相同重量下,设计合理的复合材料对称元件可以比金属元件吸收更多的冲击能量。在笔者的研究基础上,综述了复合材料对称元件缓冲吸能性能试验研究的主要成果,包括元件的宏观压溃模式、载荷-位移曲线、微观破坏形式和影响因素,然后论述了复合材料对称元件缓冲吸能特性分析研究的代表性成果,比较了这些分析模型之间的优缺点,并提出了应进一步研究的内容。

关键词：复合材料对称元件缓冲吸能压溃模式微观破坏分析模型