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仿竹型侵彻引信防护微结构缓冲吸能试验研究

兵工学报 2024年第7期45卷 2260-2269页

作者：张安李长生张合马少杰杨本强南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室江苏南京210094

为保证硬目标侵彻引信在战场上可靠作用,采用仿生学原理设计一种仿竹型侵彻引信防护微结构(Imitation bamboo type Penetration fuze protection Microstructure,IPM)。根据缓冲吸能机理,推导引信缓冲系统的动力学模型。采用Abaqus显式... 详细信息

为保证硬目标侵彻引信在战场上可靠作用,采用仿生学原理设计一种仿竹型侵彻引信防护微结构(Imitation bamboo type Penetration fuze protection Microstructure,IPM)。根据缓冲吸能机理,推导引信缓冲系统的动力学模型。采用Abaqus显式动力有限元方法对IPM和传统直边结构在典型侵彻工况下的力学性能进行数值模拟,对比分析两种结构的缓冲防护性能和抗压机理。结合金属材料(AlSi10Mg和GH4169)和3D打印的制造优势,采用激光选区融化技术制备两种结构,探究不同胞元几何形状的抗压强度和能量吸收特性,验证所建立的有限元模型的可靠性。仿真结果表明:IPM表现出明显的负泊松比效应和变形整体性,能够较好地消除应力集中,可使侵彻过载峰值平均衰减131%;3D打印结果表明,GH4169成型效果更好,特征完整,结构强度高,更适合作为细微结构的打印材料。准静态压缩结果表明,IPM的初始屈服应力高于传统直边结构,在平台区表现出明显的优势,总吸能量比传统直边结构高出72%。所得研究结果为硬目标侵彻引信防护方法提供了一种新的策略。

关键词：侵彻引信仿生缓冲防护 3D打印吸能

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仿生多胞薄壁结构冲击吸能特性研究

机械强度 2024年第3期46卷 750-755页

作者：陈雅婷洪熠豪吴俊吴菲郑氏韦赵顺秋广东工业大学材料与能源学院广州510006

仿生多胞薄壁结构具有质量轻、抗冲击性能强等优点。对莲藕、问荆进行仿生结构设计,与薄壁空管进行耦合,提出了两种新型的仿生多胞薄壁结构:一是薄壁空管与莲藕耦合结构(LR-IS),二是薄壁空管与莲藕、问荆耦合结构(LR-HS-IS)。通过Pro/E... 详细信息

仿生多胞薄壁结构具有质量轻、抗冲击性能强等优点。对莲藕、问荆进行仿生结构设计,与薄壁空管进行耦合,提出了两种新型的仿生多胞薄壁结构:一是薄壁空管与莲藕耦合结构(LR-IS),二是薄壁空管与莲藕、问荆耦合结构(LR-HS-IS)。通过Pro/E建立模型,导入到有限元软件Abaqus中进行数值模拟分析。此外,采用3D打印成型技术制作结构,通过落锤冲击试验和有限元数值模拟,对其在轴向冲击下的力学行为及吸能特性进行研究。结果表明,仿生多胞薄壁结构具有较好的吸能效果,显著提高了承载能力、载荷效率和比吸能。与单独的薄壁空管相比,仿生多胞薄壁结构不但能显著降低冲击效应,而且初始峰值力较为稳定。除此之外,该结构也非常符合轻量化、高吸能的要求。

关键词：工程仿生有限元模拟试验吸能抗冲击

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泡沫FeSiB/316L复合材料制备及压缩吸能特性

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材料科学与工艺 2024年

作者：余金桂韩春柳章桥新武汉理工大学机电工程学院

为了制备高强度、轻质泡沫钢材料，提高其在吸能方面的性能。本文以FeSiB为第二相增强相，以316L不锈钢粉与不同质量分数(0%、5%、10%、15%)FeSiB粉末的混合粉末作为原料、无水CaCl2颗粒为造孔剂，采用粉末冶金烧结-溶解法制备泡沫FeSiB... 详细信息

为了制备高强度、轻质泡沫钢材料，提高其在吸能方面的性能。本文以FeSiB为第二相增强相，以316L不锈钢粉与不同质量分数(0%、5%、10%、15%)FeSiB粉末的混合粉末作为原料、无水CaCl2颗粒为造孔剂，采用粉末冶金烧结-溶解法制备泡沫FeSiB/316L复合材料。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对试样进行微观组织结构分析，并对试样进行轴向准静态压缩测试，分析讨论了不同质量分数的FeSiB对泡沫钢压缩变形行为和吸能特性的影响。研究表明:泡沫FeSiB/316L复合材料孔结构多为不规则形状且分布均匀；当FeSiB添加量在0～15wt.%时，随着FeSiB含量的增加，泡沫FeSiB/316L复合材料的压缩强度从42.61 MPa开始逐步提高，最高达到100.26 MPa；阐明了材料力学性能的增强机理，主要归因于晶粒细化和第二相析出强化的叠加效应，且第二相析出强化起决定性作用；随着FeSiB含量的增加，泡沫FeSiB/316L复合材料的能量吸收值逐步增大，当应变量为40%时，孔隙率为63.32%的15wt.%泡沫FeSiB/316L复合材料，其单位体积的能量吸收值约为泡沫铝的7～8倍，这表明其具有更加优良的吸能特性；随着FeSiB含量的增加，泡沫FeSiB/316L复合材料的理想吸能效率逐步提高，最高可达0.77，表明泡沫FeSiB/316L复合材料相较于纯316L泡沫钢更接近于理想的吸能材料。

关键词：泡沫FeSiB/316L复合材料粉末冶金造孔剂压缩强度吸能

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基于增材制造的仿生吸能结构研究现状与展望

复合材料科学与工程 2024年

作者：楼航飞陈文刚张伟蔡心远龚金锭西南林业大学机械与交通学院云南省DongyangLi院士工作站

由于吸能结构在人类生活中的广泛应用，这一趋势引起了大量对能量吸收特性的科学研究和前沿技术发展。通过大自然长时间的抉择，各种动植物的一些特殊结构给予设计者灵感，仿生吸能结构被大量地研究。在此过程中，由于增材制造技术具有... 详细信息

由于吸能结构在人类生活中的广泛应用，这一趋势引起了大量对能量吸收特性的科学研究和前沿技术发展。通过大自然长时间的抉择，各种动植物的一些特殊结构给予设计者灵感，仿生吸能结构被大量地研究。在此过程中，由于增材制造技术具有灵活性强、能够制造复杂结构、以及利用增材制造材料等特点，使其成为解决轻量化和复杂结构需求的理想选择。然而现阶段对仿生吸能结构领域的综述性研究较为有限，系统性的总结也相对缺乏，导致对整个技术的发展现状及面临的问题理解不够深入。本文主要对仿生薄壁结构、仿生板结构、仿生细胞结构和仿生建筑结构所对应动植物的结构与性能进行了系统性的总结，阐述了基于增材制造技术在仿生吸能结构领域的研究现状，以期为未来各行业仿生吸能结构的发展提供一定参考。

关键词：结构仿生吸能增材制造生物结构应用

碳纤维增强复合材料结构吸能机理及其高效建模方法研究

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复合材料科学与工程 2024年

作者：王锴罗俊杰姚如洋庞通贾晓航余磊重载快捷大功率电力机车全国重点实验室湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室

碳纤维增强复合材料（CFRP）失效机理错综复杂，精细化仿真计算成本高、优化设计效率低。为提升CFRP吸能部件的仿真优化设计效率，本研究制备了CFRP薄壁方管，并进行轴向压溃测试。建立CFRP薄壁方管轴向压溃的多层精细化有限元模型，分... 详细信息

碳纤维增强复合材料（CFRP）失效机理错综复杂，精细化仿真计算成本高、优化设计效率低。为提升CFRP吸能部件的仿真优化设计效率，本研究制备了CFRP薄壁方管，并进行轴向压溃测试。建立CFRP薄壁方管轴向压溃的多层精细化有限元模型，分析实验、仿真失效模式和吸能机理，提出了高保真、高效率的等效建模方法。实验结果表明CFRP薄壁方管渐进压溃失效模式中吸能机理复杂，主要包括纤维断裂、分层及摩擦耗能。仿真结果表明精细化有限元模型可以准确预测CFRP薄壁方管渐进压溃失效模式及其能量吸收，且塑性变形及损伤是能量耗散的主要因素之一。基于渐进压溃失效模式提出的高保真、高效率等效建模方法能够准确预测CFRP薄壁方管的吸能响应，相对精细化的建模方式提升了97%的计算效率。

关键词：碳纤维复合材料薄壁方管吸能渐进压溃有限元模型

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复合材料折纸管吸能特性多目标优化设计

复合材料科学与工程 2024年第2期 102-108页

作者：周政言李响朱璐孙烨培北京理工大学宇航学院北京100081 上海宇航系统工程研究所上海201108

薄壁结构被广泛用于吸能装置中,传统直管碳纤维树脂基增强复合材料(CFRP)薄壁结构在受到压溃时总是表现出峰值力过高以及力-位移曲线波动较大的问题,然而吸能装置必须保证渐进和受控的能量吸收,避免可能过大的峰值力,因此CFRP薄壁管结... 详细信息

薄壁结构被广泛用于吸能装置中,传统直管碳纤维树脂基增强复合材料(CFRP)薄壁结构在受到压溃时总是表现出峰值力过高以及力-位移曲线波动较大的问题,然而吸能装置必须保证渐进和受控的能量吸收,避免可能过大的峰值力,因此CFRP薄壁管结构作为吸能装置还需进一步改进设计。与传统直管结构相比,CFRP折纸管由于其独特的结构形式有更好的吸能特性。通过数值模拟研究了折纸管在轴向载荷作用下的能量吸收特性,得到了管件吸能特性指标与其几何参数之间的非线性映射关系。建立起考虑最大化总吸能和最小化峰值力的多目标结构优化设计模型,采用NSGA-Ⅱ遗传算法求解并对结果进行了分析。优化设计后的折纸管在保持质量不变的情况下,总吸能增加了144.9%,峰值力下降了46.5%,相比初始结构得到了明显提高。

关键词：复合材料折纸管吸能代理模型多目标优化

基于豪猪刺肋骨增强结构的仿生薄壁吸能管设计研究

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基于豪猪刺肋骨增强结构的仿生薄壁吸能管设计研究

作者：苏文波吉林大学

学位级别：硕士

提高薄壁结构的能量吸收性能一直是被动防护系统工程相关领域的重要课题。到目前为止,传统的圆管、方管和多节管是汽车、轨道交通、航空航天工业中最常用的能量吸收结构,因为它们具有结构简单、易于加工、价格低等诸多优点。然而,随着... 详细信息

提高薄壁结构的能量吸收性能一直是被动防护系统工程相关领域的重要课题。到目前为止,传统的圆管、方管和多节管是汽车、轨道交通、航空航天工业中最常用的能量吸收结构,因为它们具有结构简单、易于加工、价格低等诸多优点。然而,随着社会的不断发展,这些传统结构无法满足人们对更高吸能特性的要求。因此,研究人员期望寻求更完美的结构来改善此类系统的机械性能。经过数十亿年的进化,如今幸存下来的生物表现出许多强大的生存特征,许多动物和植物因其完美的结构和功能而让研究人员着迷,向自然学习在生物启发结构设计方面发挥着重要作用,因此,在工程中应用仿生或仿生方法有助于提高机械性能。经过自然的选择,豪猪进化出了覆盖整个背部和体侧的坚硬棘刺,其可以轻松刺穿敌人的外皮以达到保护自己的目的。本文选取了成年豪猪刺作为研究对象,从沟壑状表面形态、截面变化形式、宏微观结构、材料元素组成、多种力学测试等影响豪猪刺性能的关键因素进行入手,经过系统研究分析后,以豪猪刺为仿生原型设计了仿生薄壁管,本文的主要研究内容如下:首先综合考虑多方面因素选取了豪猪刺作为生物原型。借助超景深显微镜对豪猪刺整体结构形态以及不同位置的横截面变化形式进行了观测与研究,借助扫描电子显微镜对豪猪刺更微观结构进行了表征,使用X射线能谱仪、傅里叶变换红外光谱仪等对豪猪刺元素组成与分布进行了系统分析,并且通过电液万能试验机对豪猪刺进行了轴向与横向压缩能力、拉伸能力、弯曲能力的机械力学测试研究。此外,借助纳米压痕仪,对豪猪刺整体的纳米力学性能差异进行了测试表征并进行了规律总结。这些分析观察将为后续仿生薄壁管的结构设计奠定基础。基于上述材料结构组成分析及相关力学性能测试,对仿生豪猪刺薄壁管进行了设计与模拟仿真。首先对网格尺寸大小进行了确定,并且将模拟结果与实验进行对比验证了有限元模型的有效性,提取豪猪刺相关结构数据,建立了仿生结构模型,通过改变模型的不同参数,包括肋数、壁厚、肋厚、压缩角度等,利用有限元模拟技术研究了各种参数如何影响仿生管的变形方式和吸收效率,以及其承载性。经过深入的比较和分析,找到了最佳的仿生结构,与普通圆管相比,比吸能提高了44.69%,压缩力效率提高了28.06%。最后采用3D打印制备了3种不同材料的仿生薄壁管和具有肋骨增强结构的仿生蜂窝管,通过轴向压缩试验对打印的样件进行相关测试,试验结果证实了仿生设计具有可行性。综上所述,本文从生物结构出发,通过多方位的观察与测试分析,结合仿生学的设计理念,设计了仿生薄壁吸能结构,并通过有限元模拟对设计进行优化,最后通过试验验证了仿生设计的有效性。本论文可为进一步开展仿生薄壁结构的设计与研究提供新的思路。

关键词：仿生设计豪猪刺薄壁管肋骨吸能

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A型地铁列车碰撞吸能及配置研究

现代城市轨道交通 2024年第5期 71-76页

作者：姜杉李茁北京市地铁运营有限公司北京100044 北京市轨道技术交通装备集团有限公司北京100071

A型车是地铁列车型号中宽度最大、载客量最大的车型,尤其适合人口密度高、客流量大的城市使用,因此A型地铁列车的安全性对于大中型城市地铁安全运营至关重要,其中列车的碰撞吸能是列车安全性能指标之一。文章首先基于用户对车钩的吸能... 详细信息

A型车是地铁列车型号中宽度最大、载客量最大的车型,尤其适合人口密度高、客流量大的城市使用,因此A型地铁列车的安全性对于大中型城市地铁安全运营至关重要,其中列车的碰撞吸能是列车安全性能指标之一。文章首先基于用户对车钩的吸能需求及EN 15227-2020要求,提出钩缓装置与防爬器组合使用的A型地铁列车碰撞吸能方案。其次,对该吸能方案的设计思路、验证方法、吸能装置关键部件及其主要技术参数进行逐一介绍。最后,确认该方案通过高弹性可恢复EFG缓冲器、压溃单元、可拆卸式防爬器作为吸能组合,能在A型地铁列车连挂、碰撞、救援等多工况中起到缓冲吸能的作用,不仅可以保护乘客安全和车体主结构不受损坏,还具有方便维护和替换的优点。该研究可为后期地铁列车吸能方案的设计提供一定的参考与借鉴。

关键词： A型地铁列车碰撞吸能钩缓装置

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风力机叶片吸能防冰涂料的实验研究

湖南电力 2024年第2期44卷 129-133页

作者：潘碧宸陈宝辉唐壮电网防灾减灾全国重点实验室湖南长沙410129

针对风力机叶片在冬季易发生覆冰的问题,研发了一种具备吸能功能的风力机叶片防冰涂料,可以通过吸收一定波长的光发热,提升涂料表面的温度,使涂料与表面覆冰之间的界面发生融化,从而让冰层从风力机叶片表面脱落,实现叶片防冰。通过反应... 详细信息

针对风力机叶片在冬季易发生覆冰的问题,研发了一种具备吸能功能的风力机叶片防冰涂料,可以通过吸收一定波长的光发热,提升涂料表面的温度,使涂料与表面覆冰之间的界面发生融化,从而让冰层从风力机叶片表面脱落,实现叶片防冰。通过反应制备得到吸能颜料,并与成膜基体、耐磨填料等材料混合,制备得到吸能涂料;对比涂覆该涂料的叶片与普通叶片的覆冰情况,发现该涂料可降低叶片表面覆冰速率12.8%,缩短覆冰时间50%;此外,通过开展耐磨性实验,发现该涂料耐磨性为2.81 L/μm,优于叶片原本涂料耐磨性(1.95 L/μm)。以上结果表明,该涂料可降低叶片表面覆冰速率,缩短叶片表面覆冰时间,且耐磨性更好,使用寿命更长。

关键词：风力机叶片吸能涂料覆冰耐磨性