多孔金属夹芯结构的抗爆性能研究

多孔金属夹芯结构已被广泛应用于航空航天等领域,研究其抗爆吸能性能具有十分重要的意义。分别对金属空心小球和泡沫铝两种夹芯壳结构在TNT爆炸载荷作用下的抗爆性能进行爆炸实验,并采用AN-SYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟研究。结果表明:金属空心小球夹芯结构作为抗爆吸能结构是可行的;在结构框架尺寸与质量相同时,内面板厚外面板薄的夹芯结构具有更好的抗变形能力,内面板薄外面板厚的夹芯结构则具有更好的吸能特性;在结构框架尺寸与质量相同时,负梯度夹芯结构、并列型小球夹芯结构、小半径小球夹芯结构具有更好的抵抗爆炸载荷和吸收冲击能量的性能;在结构框架尺寸与质量相同时,金属空心小球夹芯结构的整体强度更高,而泡沫铝夹芯结构能更充分地发挥芯层的缓冲性能。     

泡沫钢的制备及三点弯曲性能

为了制备孔隙率较高、孔结构均匀、性能优良的泡沫钢板及夹芯复合板,以316L不锈钢粉为原料,Ca Cl2为造孔剂,采用粉末冶金烧结-溶解法制备不同孔隙率、孔径的泡沫钢,并用物理粘接法制备泡沫钢夹芯复合板。通过对泡沫钢板和夹芯复合板进行三点弯曲实验研究两者的抗弯曲性能。观察泡沫钢板的三点弯曲变形过程,分析孔隙率和孔径对泡沫钢板和夹芯复合板抗弯曲性能的影响,对比两者的极限抗弯载荷变化。结果表明:泡沫钢板的变形首先从薄壁不规则的孔壁开始,形成裂纹并进行扩展,最终导致宏观断裂;对于泡沫钢夹芯复合板,当孔隙率从69.4%增加至82.5%时,其所能承受的极限载荷从2345 N下降至1254 N,在相同孔隙率下,相比于泡沫钢板,夹芯板承受的极限弯曲载荷提升了15%~43%;当孔径从1.9 mm增加至3.9 mm,孔隙率约为73%时,其所能承受的极限弯曲载荷从2070 N下降至1528 N,与泡沫钢板相比,相同孔径下,夹芯板承受的极限弯曲载荷提升了15%~28%;在孔隙率和孔径相同条件下,泡沫钢夹芯复合板的抗弯承载能力比泡沫钢板提高15%以上。     

PMI 泡沫夹层结构性能研究

对聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫碳环氧复合材料夹层结构进行了平拉、平压、侧压、弯曲、剪切等性能试验,并对试样破坏模式进行了分析.结果表明:泡沫夹层结构平拉、平压、剪切性能取决于芯材的性能,表现为芯材的破坏,弯剪试样更能表征泡沫的剪切性能,泡沫夹层结构具有优越的侧压和弯曲性能,碳面板( 1.05 mm)/泡沫(30 mm)夹层结构侧压强度为26.5MPa、模量为5.88 GPa,弯曲刚度为3.05 kN·m2、模量为97.5 GPa.     

蜂窝夹芯雷达罩抗鸟撞冲击性能仿真分析

在雷达天线罩抗鸟撞冲击响应有限元分析中,为了有效克服有限单元法在模拟鸟体局部大变形计算中的不稳定性以及更好地模拟鸟体铺展、飞溅效果并提高鸟体与天线罩接触区域的计算精度,需要采用FEM-SPH耦合方法模拟鸟体高速撞击天线罩的动态力学响应过程。文章分别采用FEM、SPH和FEM-SPH耦合方法对1.8 Kg的鸟体以150 m/s的相对速度撞击天线罩三明治夹芯结构的不同位置开展了有限元仿真研究。仿真结果表明,FEM-SPH耦合方法能够充分发挥FEM法和SPH法各自的优势,能更精细地描述鸟体撞击到天线罩上的变形、失效以及铺展过程。进一步研究发现,泡沫铝夹芯层材料在吸能方面起着主要作用,且鸟撞位置对天线罩的整体变形具有显著影响,鸟撞最危险位置发生在雷达天线罩正面中心靠下位置,此时最大位移为123.5 mm,为上部位置最大位移值的1.8倍。     

PMI泡沫夹芯结构在A380后压力框上的应用

和蜂窝芯相比,在热压罐固化过程中,PMI泡沫各向同性的孔隙结构还能满足侧压下的尺寸稳定性的要求而无需用泡沫胶填充.另外,泡沫还能将热压罐的压力均匀地传递给泡沫下方面板的铺层,使其压实,没有压痕等表面缺陷.     

复合材料泡沫夹芯板胶接修理的压缩性能

针对复合材料泡沫夹芯结构在维修结构性能研究方面的缺失,在完成了复合材料泡沫夹芯板的维修与压缩性能测试之后,建立了结构有限元分析模型,结合夹芯结构的稳定性理论解析模型,并对复合材料泡沫夹芯结构的胶接修理压缩性能进行验证。结果表明:通过试验结果简化了有限元分析模型中的胶层设置;应用复合材料夹芯结构的稳定性理论解析模型,能够快速获得复合材料夹芯维修结构的侧压极限载荷上限值;复合材料泡沫夹芯修理结构的主要侧压破坏模式为面板一阶与二阶屈曲失效,该结果说明复合材料泡沫夹芯修补结构的有限元模型与解析稳定性理论模型的计算精度较高,具有较强的工程实用性。     

泡沫铝填充薄壁管复合结构压缩与吸能性能

采用填加造孔剂法制备泡沫铝,将其填充入6061铝合金薄壁管中制备填充复合结构,通过准静态压缩实验研究填充间隙、黏结方式以及薄壁管的壁厚等参数对泡沫铝填充管力学和吸能性能的影响,确定最佳制备参数。通过准静态压缩实验和落锤冲击实验,研究在不同应变率下单一与复合结构的力学和吸能性能特点。结果表明:在准静态压缩实验中,当应变为60%,泡沫铝填充管的吸能量是泡沫铝与薄壁管二者数值加和的122%;在冲击实验中,和单一结构相比,复合结构的冲击载荷更加稳定,且具有更高的平均冲击载荷,吸能能力更强;相对于单独的泡沫铝,泡沫填充薄壁管在压缩和冲击吸能方面均有较大的提升。     

复合材料机身C型柱准静态压溃仿真及失效模式

为了研究复合材料机身薄壁C型柱结构轴向压溃吸能特性、失效模式及C型柱多层壳单元建模方法,建立多层壳单元有限元模型,基于准静态轴向压溃实验结果进行对比验证。结果表明:C型柱多层壳单元模型能够在一定程度上模拟层间分层失效及压溃过程中的局部弯曲变形和层束弯曲失效模式;仿真与实验的载荷-位移曲线吻合性较好,压溃初始峰值载荷,比吸能以及压溃均值偏差较小;但C型柱结构压溃初始峰值载荷较大,载荷效率较低,需通过优化设计进一步降低其初始载荷峰值。     

夹层结构长梁弯曲试验研究

对由碳纤维增强的复合材料面板和Nomex蜂窝组成的夹层结构进行长梁弯曲试验,分析了复合材料面板不同铺层形式对夹层结构失效载荷及弯曲刚度的影响,根据夹层结构不同失效模式对其失效载荷进行了预测.研究结果表明:试验载荷-位移曲线整体呈现非线性.面板铺层为[0/90]的夹层结构在载荷达到破坏载荷的60%时,载荷-位移曲线出现非...     

蜂窝夹层结构稳定性模拟研究

蜂窝夹层结构随面板厚度或芯层厚度的逐渐变化会出现不同的屈曲现象。建立考虑芯层几何特征的有限元模型,研究临界失稳载荷与失稳形式的内在关系,分析了面板厚度、芯层厚度和面板-芯层厚度比对夹层结构稳定性的影响规律。研究结果可为蜂窝夹层结构的工程应用提供依据。     

矩形填充多孔材料夹层结构两种模型的固有频率比较

引言 复合材料夹层结构是由复合材料层压面板和芯材胶接成的结构,芯材有铝蜂窝、纸质蜂窝和硬质泡沫等。因其具有比强度高．比刚度大的特点,因此,复合材料夹层结构在航空航天、运载火箭、船舶制造、列车机车、风力机叶片等领域得到了广泛的应用。风机叶片是风电机组的关键部件之一．其性能好坏直接影响风电机组的风能利用效率和机组所受载荷。     

复合材料夹层结构的弯扭稳定性

对复合材料层合板做面板,蜂窝做夹芯的夹层结构在受到弯、扭载荷作用下的稳定性进行了研究。面板采用对称铺层、等高度蜂窝夹芯,利用能量法对临界载荷进行了计算并给出了一些计算曲线。     

Z-pin增强泡沫夹层结构面压缩性能研究

Z-pin增强泡沫夹层结构作为一种新兴的复合材料夹层结构形式,能够克服传统蜂窝夹层结构的诸多缺陷。采用预浸碳纤维增强Rohacell夹芯,进行Z-pin角度为15°和25°,夹芯厚度分别为12.7mm和8mm两种Z-pin增强泡沫夹层结构的面内压缩性能试验,并与相同批次和尺寸的未增强件进行对比,考察其对传统泡沫夹层结构的增强作用。试验发现X状Z-pin增强能够大幅度提高夹层结构的压缩强度与刚度。同时,增强材料表现出与传统泡沫夹层结构不同的压缩变形与破坏模式。证实Z-pin的弹性屈曲控制着结构的压缩强度,夹芯厚度和Z-pin角度影响Z-pin屈曲的计算长度,从而成为材料压缩强度的控制因数。在此基础上,考虑面板对Z-pin的有限转动约束,通过引进约束修正系数改进现有的压缩强度预测模型,预测值与试验结果更加接近。     

运输类飞机典型货舱地板下部结构冲击吸能特性

为了研究运输类飞机货舱地板下部结构在冲击载荷作用下的吸能特性，选取三框两段典型货舱地板下部结构试验件开展落重冲击试验，即质量为478.5 kg的落重以3.95 m/s的速度垂直冲击倒置并固定在测力平台上的试验件，分析试验件失效模式及动态响应，同时建立有限元模型进行仿真与试验结果相关性分析及吸能特性研究。结果显示，在此种工况的冲击载荷作用下，中间支撑件发生由32框面向34框面方向的弯曲，并带动机身框发生同向弯曲和扭转，从而导致C型支撑件发生与中间支撑件相反方向的弯曲变形，并最终在机身框与C型支撑件的连接处形成两处塑性铰；紧固件失效以位于中间支撑件附近区域的长桁和剪切角片连接处的22个扁圆头铆钉发生剪切失效为主；试验初始加速度峰值和初始撞击力峰值分别为25.1g和173 kN。仿真与试验获得的结构变形模式吻合较好，仿真获得的最大压缩量与试验结果24.3 mm相差3.7%，仿真获得的压板上初始加速度峰值与试验结果25.1g相差4%。通过仿真分析发现机身框和中间支撑件是主要的吸能部件，吸能贡献分别占总吸能的32.1%和30.4%。     

铝蜂窝夹层结构穿孔损伤复合材料修理技术研究

铝蜂窝夹层结构穿孔损伤的高效、低成本修理对保障航空装备的完好性具有重要意义。针对铝蜂窝夹层结构穿孔损伤金属面板提出复合材料碳纤维湿补片胶接修理工艺，结合飞机典型铝蜂窝夹层结构形式制备完好和穿孔损伤试样，对穿孔损伤试样开展复合材料胶接修理，建立铝蜂窝夹层结构复合材料挖补胶接修理后四点弯强度分析有限元仿真分析模型，并通过仿真计算分析穿孔损伤大小对铝蜂窝夹层结构四点弯强度的影响规律及修复后强度恢复情况。结果表明：复合材料挖补胶接修理可有效恢复穿透损伤铝蜂窝夹层结构的弯曲强度；有限元仿真计算结果与试验结果基本一致，仿真模型能够较为准确地计算各类试样的极限载荷及失效模式；当损伤范围≤φ30 mm（径宽比小于40%）时，复合材料胶接修理工艺可应用于飞机铝蜂窝夹层结构损伤修理中。     

填加造孔剂法制备泡沫铝及其吸能性能

以尿素为造孔剂,采用填加造孔剂法制备泡沫铝,系统研究了成型烧结温度、孔隙率和孔径大小对泡沫铝吸能性能的影响,在此过程中采用电子万能试验机和数字图像相关(DIC)技术同步测试分析。结果表明:填加造孔剂法可以良好的控制泡沫铝的孔隙率和孔径;泡沫铝的最佳成型烧结温度为650℃,在此温度下,泡沫铝的压缩屈服强度达到10.7 MPa;随着孔隙率的降低,泡沫铝的屈服强度和平台应力逐渐提高,材料吸能性能有显著增强;当孔径小于2.0 mm时,随着孔径的增大,材料的吸能性能小幅提高。DIC技术可以直观的表征泡沫材料力学行为,具有良好的工程应用前景。     

X-cor夹层结构低速冲击实验和数值模拟研究

X-cor泡沫夹层结构是一种通过Z-pin技术增强泡沫夹芯的新型高性能夹层结构。在低速冲击下,X-cor夹层结构损伤失效机制复杂,通过在不同能量阶段对X-cor夹层结构失效行为进行分析,讨论Z-pin植入体积分数和泡沫芯材密度对失效行为的影响。低速冲击试样规格为Z-pin直径0.5 mm、植入角度为22°,分别改变泡沫类型和Zpin植入体积分数进行实验,结果表明:6 J冲击能量下,冲击能量主要由面板分层承担,相对于未植入Z-pin试样,随着Z-pin植入体积分数的升高,面板分层面积最多减少了45.1%,而泡沫密度对分层面积影响不大;12 J冲击能量下,部分Z-pin发生失效,通过剩余压缩强度比发现,随着Z-pin植入体积分数的增加,剩余压缩强度比先增大后减小,植入体积分数为0.42%时最高,而此时泡沫密度增加,剩余压缩强度比也随之增加;当能量到达18 J时,芯材开始出现剪切裂纹,同时吸收大部分能量,较弱的芯材剩余压缩强度比大,而Z-pin植入体积分数越大,剩余压缩强度比反而越小。采用数值模拟的方法建立低速冲击模型,并将冲击后的结果直接传递应用于剩余压缩强度模型中,得到的结果比实验值偏高25%~29%。     

X-cor增强泡沫夹层结构力学性能试验

 研究了碳纤维X-cor销钉增强泡沫夹层结构的常规力学性能。自行设计工艺,制造了X-cor增强泡沫夹层结构复合材料,并进行了多种材料/几何参数下的平压、三点弯曲和芯子剪切试验,得到了系列试验数据,并观察记录了较全面的结构破坏模式;倾斜的X-cor销钉对夹层结构性能的增强效果大大优于垂直销钉的增强效果,倾斜X-cor增强泡沫夹层结构的抗弯刚度和破坏载荷大幅提高;X-cor增强泡沫夹层结构在弯曲载荷下具有较强的二次承载能力;X-cor增强泡沫夹层结构在弯曲和剪切载荷下均呈现明显的渐进失效过程,在初始裂纹出现后,直到最终破坏发生还有较长的损伤扩展过程,这一过程是增强相限制芯材裂纹大规模扩展的结果,表明X-cor增强泡沫夹层结构在初始裂纹出现后还具有较强的持续承载能力。     

TA15钛合金超薄中空四层结构超塑成形/扩散连接一体化成形及精度控制

本文采用TA15钛合金热轧薄板作为原材料,探究超薄中空四层结构的超塑成形/扩散连接工艺。首先通过高温拉伸试验对TA15钛合金的超塑变形行为进行研究,获得了超塑成形过程的应力–应变曲线。然后通过有限元软件对薄壁横向局部贯通四层纵筋结构的超塑成形过程进行模拟,对成形过程中壁厚减薄、应力分布等行为进行研究,为后续超塑成形/扩散连接试验提供有效指导。最终成功制备了芯板直立筋良好、三角区宽度仅0.9 mm的超薄中空四层结构,其中面板最大减薄率为18.6%,芯板最大减薄率为55.1%,芯板与面板之间扩散连接区域的焊合率为92.1%～98.5%。TA15钛合金板材的原始显微组织晶粒细小破碎且呈等轴状,平均晶粒尺寸小于5μm,经长时间的超塑变形与热暴露后晶粒显著长大。     

PMI泡沫收缩率及胶接性能试验研究

通过对PMI泡沫芯密度、厚度及外置时间、干燥处理、固化压力等5个参数系统研究,摸索了其与泡沫芯收缩率之间的关系,给出了降低泡沫芯收缩率、提高其尺寸稳定性的方法。同时,通过强度性能试验,研究了不同固化压力(0.2MPa和0.3MPa)对PMI泡沫夹层试验件胶接性能的影响。试验结果表明,泡沫芯厚度越小,密度越低,吸湿量越大,固化压力越大,则泡沫芯收缩率越高。利用烘箱在130℃下干燥处理2h,可降低泡沫芯的收缩率;0.3MPa胶接的PMI泡沫夹层结构试验件的滚筒剥离强度略优于0.2MPa固化压力。剪切强度、平面拉伸强度及弯曲强度无明显差别。