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空间碎片高速斜撞击填充防护结构的损伤与防护特性研究

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空间碎片高速斜撞击填充防护结构的损伤与防护特性研究

作者：刘启超哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

20世纪以来人类的太空事业蓬勃发展,空间碎片的数目随之不断增长,空间碎片对在轨航天器安全的威胁问题日益严重。针对空间碎片的防护,工程中已提出多种防护结构方案,纤维布填充防护结构作为其中一种重要的防护形式,得到了广泛的应用。... 详细信息

20世纪以来人类的太空事业蓬勃发展,空间碎片的数目随之不断增长,空间碎片对在轨航天器安全的威胁问题日益严重。针对空间碎片的防护,工程中已提出多种防护结构方案,纤维布填充防护结构作为其中一种重要的防护形式,得到了广泛的应用。斜撞击则是空间碎片撞击的主要形式,对其进行研究有着重大的工程意义。为提高航天器对毫米级空间碎片的抗撞击能力,研究纤维布填充防护结构的撞击极限特性,并分析碰撞事件中撞击粒子的弹道偏移特性,最终对纤维布填充防护结构在高速斜撞击下的损伤与防护特性进行评估,需在地面进行一系列的高速撞击试验以研究空间碎片斜撞击对纤维布填充防护结构撞击特性的影响。本文主要以空间碎片高速撞击航天器防护结构为应用背景,针对纤维布填充防护结构的斜撞击行为进行实验研究。首先,通过二级轻气炮开展了地面模拟撞击实验,针对两种斜撞击角度,选用四种直径的毫米级铝球弹丸,研究不同直径的铝球弹丸以不同角度高速斜撞击Kevlar纤维布填充防护结构发生临界失效时的撞击极限速度。其次,在利用实验获得了的铝球弹丸高速斜撞击Kevlar纤维布填充防护结构的撞击极限特性数据的基础上,借鉴已有的撞击极限经验公式,提出了适用于以本文纤维布为填充层的填充防护结构的撞击极限经验公式的修正方案。最后,分析了弹丸在高速斜撞击纤维布填充防护结构过程中的弹道偏移及其影响因素,研究了铝球弹丸高速斜撞击情况下前板、填充层及后板的损伤特性,为进一步全面评估纤维布填充防护结构的高速撞击防护特性提供了依据。

关键词：斜撞击填充结构撞击极限弹道变化损伤分析

泡沫铝填充管的吸能特性研究及其在轿车前纵梁结构中的应用

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泡沫铝填充管的吸能特性研究及其在轿车前纵梁结构中的应用

作者：曾繁波华南理工大学

学位级别：硕士

轻质、安全是现代汽车设计所追求的首要目标，如何既能满足轻量化设计需求，又能提高车辆的碰撞安全性，成为汽车设计师面临的难题。闭孔泡沫铝作为一种轻质吸能金属材料，在低密度下具有较高的比刚度和比强度，同时具有良好的抗冲击性... 详细信息

轻质、安全是现代汽车设计所追求的首要目标，如何既能满足轻量化设计需求，又能提高车辆的碰撞安全性，成为汽车设计师面临的难题。闭孔泡沫铝作为一种轻质吸能金属材料，在低密度下具有较高的比刚度和比强度，同时具有良好的抗冲击性和能量吸收性。本文对泡沫铝及其填充结构的吸能特性进行研究，并应用于汽车前纵梁结构，以碰撞安全性为主，兼顾整车轻量化的设计要求。具体研究内容包括以下几个方面： (1)通过准静态试验研究闭孔泡沫铝在单轴压缩下的变形行为，主要可划分为四个典型阶段，即线弹性变形阶段、初始屈服阶段、屈服平台阶段和致密化阶段。试验发现闭孔泡沫铝是一种各向同性材料;孔径大小对力学特性的影响较小;其力学特性的最主要影响因素是相对密度：随着相对密度的提高，泡沫铝的抗压强度和平台应力增大、致密化应变减小。通过大量试验数据，拟合出闭孔泡沫铝的杨氏模量、平台应力和致密化应变关于相对密度的函数关系式。 (2)通过74mm大直径SHPB动态冲击试验，发现闭孔泡沫铝在中、低应变率(10-302s-1)下不具有应变率敏感性，在汽车碰撞安全性分析中不需要考虑泡沫铝的应变率效应。 (3)给出泡沫铝及其填充结构吸能能力的评价指标，验证了泡沫铝与薄壁管在轴向压缩吸能中的相互作用效应。泡沫铝与管壁之间的相互耦合，改变了管壁的塑性变形模式，提高了塑性变形的程度，填充结构可提高承载能力33%、提高吸能能力72%。 (4)在轴向冲击作用下，填充结构的有效吸能量与压溃距离基本呈线性规律。在相同直径下，随着径厚比的提高，填充结构的吸能能力呈下降趋势;得到了不同孔隙率下有效吸能量与径厚比之间的函数关系式。径厚比对填充结构的有效吸能量、比吸能具有显著的影响，而泡沫铝密度的影响较小;泡沫铝的密度越小，径厚比对填充结构吸能能力的影响越显著。 (5)以有效吸能量和压缩力效率最大化、结构总质量最小化为优化目标，对填充结构的参数匹配进行多目标优化设计，创建响应面近似模型(RSM)，采用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)求解Pareto最优解集。综合考虑填充结构的有效吸能量和结构重量，最佳径厚比应取值为36.77.3，泡沫铝的孔隙率为76%。 (6)将泡沫铝填充至乘用车的前纵梁结构中，可提高前纵梁的吸能能力15.3%，提高比吸能25.4%，同时重量减轻8.4%。这说明将泡沫铝应用于汽车吸能结构，不仅能显著改善车辆的碰撞安全性，还能起到轻量化的作用，具有良好的应用前景。

关键词：车身结构泡沫铝能量吸收填充结构耐撞性

泡沫铝填充薄壁结构及三明治结构力学性能的数值模拟

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泡沫铝填充薄壁结构及三明治结构力学性能的数值模拟

作者：徐雅晨合肥工业大学

学位级别：硕士

泡沫铝是一种新型工程材料,它集力学、热学、声学等特性于一身,是一种多功能、多用途材料,能够满足人们对材料的更高的要求,可以应用在国民经济的各个领域和部门,在军事上也具有广阔的应用前景。本文对泡沫铝层合结构的力学性能进行了... 详细信息

泡沫铝是一种新型工程材料,它集力学、热学、声学等特性于一身,是一种多功能、多用途材料,能够满足人们对材料的更高的要求,可以应用在国民经济的各个领域和部门,在军事上也具有广阔的应用前景。本文对泡沫铝层合结构的力学性能进行了实验研究和数值模拟分析。这些工作将对泡沫铝及其层合结构的应用具有积极的指导意义。本文首先采用ABAQUS软件建立了薄壁铝合金圆管及泡沫铝填充薄壁铝合金圆管的有限元模型,对这两种结构压缩的力学行为进行了数值模拟,与实验结果基本相符合。依据薄壁铝合金圆管及泡沫铝填充薄壁铝合金圆管的应力应变图,对两种结构的力学性能做了对比,发现填充泡沫铝后,层合圆管承受压力的能力大大提高。其次研究了泡沫铝填充薄壁铝合金方管准静态轴向压缩条件下的力学性能,采用ABAQUS软件建立了薄壁铝合金方管的有限元模型进行数值模拟,并且与相应的实验结果作对比,两者结果基本吻合。实验结果和数值模拟结果都表明填充泡沫铝后,层合方管承受压力的能力大大提高。最后研究了泡沫铝层合梁准静态三点弯曲条件下的力学性能,依旧采用ABAQUS分析软件建立泡沫铝层合梁的有限元模型进行数值模拟。结果表明：泡沫铝层合梁的载荷曲线远远高于泡沫铝和面板的载荷曲线之和,泡沫铝层合梁在保持泡沫铝轻质的同时,大大提高了其载荷极限和抗弯强度,显示出良好的层合效果。本文对于泡沫铝填充薄壁结构和泡沫铝层合梁结构进行了有限元数值模拟,由于涉及的参数较多,结构较复杂,建立合理的数值计算模型对于结构力学性能研究和结构优化设计有着重要的现实意义。

关键词：泡沫铝填充结构压缩载荷层合梁三点弯曲数值模拟

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3D打印复合结构断裂性能及机理研究

3D打印复合结构断裂性能及机理研究

作者：徐丹长安大学

学位级别：硕士

由于3D打印技术具有省材、可设计性强和无需组装等优点被广泛应用于航空航天、汽车、电子、医学及其他各个领域,但因3D打印复合结构存在孔隙率与层间不完全粘结的固有缺陷,使得3D打印复合结构在使用过程中易发生断裂。通过对3D打印复合... 详细信息

由于3D打印技术具有省材、可设计性强和无需组装等优点被广泛应用于航空航天、汽车、电子、医学及其他各个领域,但因3D打印复合结构存在孔隙率与层间不完全粘结的固有缺陷,使得3D打印复合结构在使用过程中易发生断裂。通过对3D打印复合结构的微观结构进行研究,发现其是非均质结构,本文采用边界效应模型(BEM)对3D打印复合结构的断裂性能进行研究。本文的主要研究内容如下:(1)基于BEM研究3D打印非均质结构的断裂性能。首先对3D打印单边缺口三点弯曲试件进行试验,记录各个试件的峰值载荷P,当施加在试件正上方的载荷下降了P的2%时对试件进行卸载。观察发现3D打印单边缺口三点弯曲试件经试验后在试件表面形成的裂尖损伤区都较大,且随着试件几何尺寸的增大而增大,每个试件表面形成的裂尖损伤区的形状、大小和裂尖孔隙率均有差异,对应的?a也不同,通过对结构特征参数C进行量化处理来研究3D打印试件微观结构的非均质性,结果表明,将C带入到不同几何尺寸的3D打印试件及不同工艺参数设置下制备的3D打印试件的断裂性能研究中,可以得到较准确的断裂性能估算值。引入离散系数β将裂纹扩展长度?a与结构特征参数C联系起来,用正态分布的概念来考虑裂尖损伤区的随机性;(2)基于BEM研究了三种几何尺寸类型的3D打印单边缺口三点弯曲试件(S/W=2.5及厚度B保持不变)的断裂性能。在相同工艺参数设置下打印制作三组不同几何尺寸类型的单边缺口三点弯曲试件,对每一组试件分别预制不同长度的初始裂纹并进行试验,试验结束后,使用精度为0.01mm的游标卡尺测量各个试件的裂纹扩展长度?a,对几何尺寸一致的同组试件的裂纹扩展长度?a取平均值后确定其结构特征参数C。将试件几何尺寸与C等参数代入BEM,得到3D打印试件的拉伸强度f和断裂韧性K,通过与直接拉伸试验得到的3D打印试件的拉伸强度f进行分析对比,结果表明,对于三组不同几何尺寸类型的3D打印试件,两种方法得到的f的误差均不超过5%,且三组不同几何尺寸类型的3D打印试件的组间误差均很小,不超过6%,说明BEM提供了一种简便的方法可以用来研究3D打印复合结构的断裂性能;(3)基于BEM研究了不同3D打印工艺参数设置下的3D打印复合结构的断裂性能。3D打印复合结构的力学性能与其孔隙率及层间粘合性有着重要的关系,3D打印工艺参数的改变会直接影响试件的孔隙率及层间粘合性,本文研究了三种不同打印工艺参数(0.1mm、0.2mm和0.25mm打印层厚;0°/90°与45°/135°填充角度;直线状与蜂窝状填充结构)设置对3D打印复合结构断裂性能的影响。不同打印工艺参数设置下制作的3D打印试件的承载力、裂尖损伤区形式都会有差异,通过对不同打印工艺参数下的3D打印试件进行单边缺口三点弯曲试验,基于BEM对试验结果计算处理,与直接拉伸试验的结果进行分析对比,结果表明:经BEM计算的三种不同打印工艺参数设置下3D打印试件的f与直接拉伸的f的误差均小于10%,且三种不同工艺参数设置下试件的组间误差均很小,小于10%,最后分别分析了三种不同打印工艺参数对于3D打印复合结构断裂性能的影响,结果表明:填充角度和填充结构对于3D打印复合结构断裂性能的影响较为显著。

关键词： 3D打印复合结构边界效应模型断裂性能拉伸强度打印层厚填充角度填充结构

基于隐式曲面建模的异型三维点阵结构造型算法研究

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基于隐式曲面建模的异型三维点阵结构造型算法研究

作者：石立南京理工大学

学位级别：硕士

近年来,三维点阵结构由于其优异的机械性能,在包括航天飞机、人造卫星、火箭等航天型号产品中得到广泛应用,但受限于加工技术,应用的点阵类型很少。随着增材制造技术的快速发展,允许设计人员从航天产品的功能需求出发,设计制造轻量化的... 详细信息

近年来,三维点阵结构由于其优异的机械性能,在包括航天飞机、人造卫星、火箭等航天型号产品中得到广泛应用,但受限于加工技术,应用的点阵类型很少。随着增材制造技术的快速发展,允许设计人员从航天产品的功能需求出发,设计制造轻量化的三维点阵单元,完成功能与轻量化的高效结合。为此,本文在增材制造技术的背景下,提出基于隐式曲面建模的异型三维点阵结构造型算法,并针对造型后的结构进行了理论与实验研究。首先,本文的异型点阵单元是由一类周期曲面衍生而来,这类曲面能被隐式函数表示,文中称为隐式曲面。本文共研究了三种由这类隐式曲面衍生的异型点阵单元,并针对其特性提出了基于隐函数的三维造型方法,用于构造这类异型点阵结构。此外,为更好的应用这类点阵单元,针对这三类单元的结构特性,包括倾角、形态以及梯度变化进行了研究。其次,本文研究了异型点阵结构的轻量化应用,将异型点阵结构填充到模型内部,利用点阵单元本身的轻质特性,将模型内部原本实体部分用点阵单元替换,实现模型轻量化。点阵结构填充到模型内部,首先需要填充范围,文中使用类似轮廓偏置操作,形成填充区域,然后使用泊松方法在填充区域内重构点阵结构。再次,考虑实际零件产品大多都有外部负载环境,本文提出了基于载荷约束下的异型点阵结构优化方法。根据模型的应力分布自适应地调整模型内部的异型点阵结构,使结构的强度与体积达到平衡优化结果。最终在保证模型结构稳定性的同时减小内部点阵结构的体积与质量,完成整体模型二次减重优化。最后,针对文中点阵结构的造型方法与优化方法,分别做了极限可制造性与有效性的验证工作。一方面进行实际打印并分析由文中方法构造的点阵结构,证明造型结构的可制造性;另一方面针对文中的三类点阵结构分别设计三个实验模型,使用有限元方法分析评估优化前后的模型变化,论证有效性。

关键词：增材制造点阵结构轻量化造型算法填充结构

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高速冲击泡沫铝填充管的瞬态分析

振动与冲击 2010年第8期29卷 81-86页

作者：程涛向宇李健余玲广西工学院汽车工程系柳州545006 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室武汉430079 广西工学院图书馆柳州545006

泡沫铝具有减震和吸收冲击能量的良好特性。但由于泡沫铝自身强度较低,单独作为承载和吸能构件实用意义不大。将泡沫铝作为填充材料能充分发挥泡沫铝的优良性能。采用数值模拟方法研究低密度Duocel泡沫铝填充薄壁方钛管和圆钛管在30m/s... 详细信息

泡沫铝具有减震和吸收冲击能量的良好特性。但由于泡沫铝自身强度较低,单独作为承载和吸能构件实用意义不大。将泡沫铝作为填充材料能充分发挥泡沫铝的优良性能。采用数值模拟方法研究低密度Duocel泡沫铝填充薄壁方钛管和圆钛管在30m/s的匀速冲击载荷作用下的瞬态吸能特性。提出柱壳比(R)作为比较不同截面形状的泡沫铝填充结构的依据。研究发现泡沫铝填充方钛管的比吸能为ES(F+P)A=0.438J;圆钛管的比吸能为EC(F+P)A=0.344J。泡沫铝填充方钛管的吸能效果好于圆钛管,前者是后者的1.273倍。在相互作用和影响下,泡沫铝柱和管的变形模式和力学性能都发生了较大的改变,被泡沫铝填充的方管的屈曲波长变短,圆管则与之相反。粘合后,泡沫铝柱和管具有类似的力—位移曲线和相似的力学性质。

关键词：泡沫铝填充结构吸能冲击作用数值模拟

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泡沫铝填充非等长双方管的轴向压溃特性研究

振动与冲击 2021年第24期40卷 90-98页

作者：汪高飞张永亮郑志军叶坚秦玉林柯俊虞吉林中国科学技术大学近代力学系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室合肥230026 奇瑞汽车股份有限公司安徽芜湖241009

泡沫铝填充双管结构在轴向压缩下的初始峰值力突出,在作为吸能元件时未能有效地起到保护作用。在双管填充结构的基础上,提出了一种采用非等长双管填充结构降低初始峰值力的方法,建立了具有不同内管长度的泡沫铝填充双方管结构的有限元模... 详细信息

泡沫铝填充双管结构在轴向压缩下的初始峰值力突出,在作为吸能元件时未能有效地起到保护作用。在双管填充结构的基础上,提出了一种采用非等长双管填充结构降低初始峰值力的方法,建立了具有不同内管长度的泡沫铝填充双方管结构的有限元模型,研究了内管长度对吸能过程的影响。结果表明,与等长双管填充结构相比,非等长双管填充结构的初始压溃峰值可大幅度降低约37%,初始峰值力与平均力之比从1.9下降到1.4,且平台力不会受到明显影响。通过分析泡沫铝、内管和外管之间的相互作用,获得了双管填充结构峰值载荷与材料/结构参数之间的关系。内外管非等长设计可以提高泡沫铝填充双管结构冲击载荷的稳定性和可控性,可为压溃力稳定的吸能器设计提供指导。

关键词：泡沫铝填充结构双管构型初始压溃峰值相互作用

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颗粒粒径对中药二元混合粉体密度的影响

中国实验方剂学杂志 2021年第18期27卷 113-120页

作者：唐正馨李婉婷曹君杰李文静徐冰乔延江北京中医药大学中药信息学系中药生产过程控制与质量评价北京市重点实验室教育部中药制药与新药开发关键技术工程研究中心北京102400

目的:研究颗粒粒径对中药二元混合粉体密度的影响,为中药制剂处方设计提供参考。方法:构建3组具有不同粒径比(α)的中药二元混合体系,即木蝴蝶-微晶纤维素PH102(MCC PH102)(α=0.071 7),银柴胡-MCC PH200(α=0.158 7)和当归-MCC KG802(... 详细信息

目的:研究颗粒粒径对中药二元混合粉体密度的影响,为中药制剂处方设计提供参考。方法:构建3组具有不同粒径比(α)的中药二元混合体系,即木蝴蝶-微晶纤维素PH102(MCC PH102)(α=0.071 7),银柴胡-MCC PH200(α=0.158 7)和当归-MCC KG802(α=0.840 6)。每组按9个质量配比(90∶10,80∶20,70∶30,60∶40,50∶50,40∶60,30∶70,20∶80和10∶90)制备混合粉体,共得到27种含中药的二元混合粉体。对6种单一粉体和27种二元混合粉体的粒径分布、密度等参数进行表征。基于堆积理论和多变量分析阐释粒径相关参数对中药二元混合粉体的填充结构和密度的影响。结果:当归-MCC KG802二元混合体系的α大于替换置换率(αr=0.741 0),其密度与质量配比之间具有良好的线性关系,符合替换机制。木蝴蝶-MCC PH102二元混合体系的α小于临界比率(αc=0.154 0),其密度随组分质量比呈非线性变化,符合填隙机制。银柴胡-MCC PH200二元混合体系的α介于αc和αr之间,其密度受填隙机制和替换机制的双重影响。基于偏最小二乘法(PLS)模型的变量投影重要性(VIP)分析结果进一步证明混合质量配比(VIP值=1.62),α(VIP值=1.13)和D10(粒径分布累积至10%时对应的粒径,VIP值=1.06)是影响二元混合粉体密度的关键因素。结论:在中药二元混合粉体中,2种粉体的粒径差异越小,混合粉体密度和组分质量配比之间的关系越接近于线性。

关键词：粒径二元混合粉体密度粒径比堆积理论填充结构处方设计

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泡沫铝填充薄壁方形铝管的静态弯曲崩毁行为

固体力学学报 2005年第3期26卷 261-266页

作者：许坤寇东鹏王二恒虞吉林中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室合肥230027

研究了泡沫铝填充的方形铝管的准静态三点弯曲行为.实验表明:泡沫铝填充有效地改变了铝管的局部崩毁变形模式;界面粘接提高了填充结构的抗弯刚度,但使结构易在较小转角下发生破坏.最后,基于实验提出了一个分析填充结构弯曲崩塌行为的理... 详细信息

研究了泡沫铝填充的方形铝管的准静态三点弯曲行为.实验表明:泡沫铝填充有效地改变了铝管的局部崩毁变形模式;界面粘接提高了填充结构的抗弯刚度,但使结构易在较小转角下发生破坏.最后,基于实验提出了一个分析填充结构弯曲崩塌行为的理论方法,在小转角下给出了与实验相当吻合的结果.

关键词：泡沫铝薄壁方管泡沫填充弯曲崩毁行为填充结构静态弯曲铝管方形薄壁弯曲行为