动态环境下铝蜂窝压缩冲击试验方法研究

为了研究铝蜂窝材料在动态冲击载荷下的缓冲吸能的性能特征,根据冲击试验环境要求,设计了一种吸能铝蜂窝压缩冲击试验方法。先将铝蜂窝缓冲器与夹具吊篮下落到一定速度来模拟真实环境;然后给缓冲器施加要求的冲击载荷使铝蜂窝压缩吸能;最后将各个传感器采集的数据进行处理和计算,得到铝蜂窝压缩吸能的各项参数。为比较铝蜂窝材料在动态冲击和静力压缩下的力学特性提供客观依据,确定满足某缓冲器设计要求的铝蜂窝材料规格。     

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。     

基于瞬间液相连接成形泡沫铝三明治的弯曲失效行为

泡沫铝三明治结构（aluminum foam sandwich, AFS）既具有泡沫铝轻质、阻尼减震、吸能防护等优异特性，又能解决单一泡沫铝强度较低、易损坏等问题，在航空航天、汽车制造、轨道交通、精密机床等工业领域具有广阔的应用前景。本工作基于熔体发泡法，采用瞬间液相结合技术，以纯TA2为面板、Al-2Ca合金为发泡基材，制备尺寸为80 mm×80 mm×18 mm的泡沫铝三明治结构，泡沫芯中含有大量均匀的孔隙，其中多面体状的孔隙占据了较大面积；面板与芯层之间观察到平均厚度为7.5μm的结合界面，各元素在结合层处形成扩散并以金属间化合物的形式存在。测试结果表明：不同密度的三明治结构在弯曲实验下的载荷曲线呈现出线弹性区、快速降载区和平台区三个明显的区域；试样所能承受的最大峰值载荷为1120.5 N、屈服强度为15.64 MPa，随着密度的提高，芯部孔隙率的减小，AFS材料的抗弯强度随之提高；弯曲程度在15 mm时，AFS密度增加15.9%的情况下，弯曲吸能WEA和比吸能WSEA分别提高3.59倍和3.22倍；失效模式为泡沫铝芯层的压缩密实变形和芯材剪切、开裂以及TA2面板的弯曲变形和剥离...     

聚碳酸酯SHPB系统测量泡沫铝合金动态压缩性能

为更加合理、有效地使用泡沫铝,了解其动态冲击下的力学性能是必要的。为提高泡沫材料分离式霍普金森压杆（SHPB）实验的有效性和精度,采用聚碳酸酯SHPB实验系统对泡沫铝合金进行了动态压缩实验,给出了不同冲击速度下的压缩应力 应变曲线,并研究了泡沫铝合金的动态压缩力学特性和变形机制。实验结果表明,高孔隙率的泡沫铝合金的应变率敏感性不强,其动态屈服强度可用静态压缩的实验结果代替。但本结论能否向其他泡沫铝推广,尚有待进一步研究。     

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。     

碳纤维-环氧树脂波纹梁吸能能力的试验研究

 用试验研究了碳纤维 -环氧树脂圆弧型波纹梁在轴向准静态载荷下的损毁过程、峰值载荷和能量吸收能力。通过 3组不同尺寸的波纹梁在轴向准静态载荷下的压缩试验,研究了波纹梁的缓冲吸能机理,并对波纹梁的峰值载荷和吸能能力做了定量分析,讨论了不同结构尺寸对波纹梁在轴向准静态载荷下的峰值载荷和吸能能力的影响。     

泡沫铝复合材料动态压缩过程数值模拟

利用MSC.marc有限元软件对泡沫铝复合材料的动态压缩过程进行了有限元数值模拟研究,建立了单胞泡沫铝及其复合材料的数值模拟模型,研究了单纯泡沫铝和泡沫铝环氧树脂复合材料的变形过程及应力-应变的分布规律.     

基于竹结构的薄壁吸能管仿生优化研究

为提高薄壁管结构的耐撞性和吸能性,根据竹子的微观结构和竹节结构特性,设计了3种具有节结构的仿生薄壁管。通过仿真分析得出:节数的增加不能提高其比吸能,但节可以起到引导变形的作用;10B薄壁管结构的比吸能是仿生管中最高的,为34.35 kJ/kg,较普通圆管提高了61.4%。对双节薄壁管12YP的节结构进行优化,发现增大节的内径和倒角处理能够提高薄壁管的吸能特性。最后,通过落锤试验对仿生管进行冲击试验,与仿真结果进行对比,得出载荷曲线的趋势表现出一致性。     

复合材料薄壁管轴向压溃吸能特性数值分析

采用数值模拟方法,对具有不同截面的几何等效复合材料管在轴向压溃载荷下的破坏吸能特性进行了分析。通过将复合材料圆管的准静态压溃计算结果与试验数据对比,验证了建模方法的准确性。在相同工况下对比分析了典型截面复合材料管的准静态和冲击压溃吸能特性。结果表明,复合材料管的截面形状会影响其破坏失效模式,加载条件对管的破坏吸能特性具有一定影响。正六边形截面管具有最好的综合吸能性能。     

泡沫铝几何参数对填充式结构防护性能影响的数值模拟

 泡沫铝是一种新型航天器防护材料,拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。模仿泡沫金属的生产原理建立了泡沫金属细观结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学(SPH)程序进行了超高速撞击数值模拟,研究了平均孔洞直径和孔隙率对填充泡沫铝结构防护性能的影响。结果表明平均孔洞直径对防护性能影响较大,总体而言平均孔洞直径越小则防护性能越好。孔隙率只在高速时才有较大影响,并且存在最优值。通过不同泡沫铝几何参数下碎片云特性的对比分析表明,使碎片云的法向动量越有效分散,结构的防护能力越强。     

基于SHPB实验的聚碳酸酯动态特性研究

聚碳酸酯(PC)材料广泛应用在炮弹、火箭弹等军事领域,从而遇到此环境下的冲击加载问题,即材料的高应变率力学特性问题。分离式霍普金森压杆(SHPB)实验是测试材料在高应变率下力学响应的一种行之有效的实验手段。本文利用SHPB对PC进行了动态冲击压缩实验,实验结果表明:聚碳酸酯抗冲击性好,在高应变率下,PC的屈服强度和弹性模量与准静态相比明显提高;聚碳酸酯表现出对应变率的敏感性。     

二氧化硅气凝胶原位填充聚酰亚胺泡沫的结构及隔热性能研究

以超轻质开孔柔性聚酰亚胺泡沫为基体,采用溶胶凝胶工艺制备了一系列二氧化硅气凝胶原位填充的聚酰亚胺复合泡沫。复合泡沫密度10~100 kg/m³可调,厚度1~ 400 mm可调,最大宏观尺寸可达1 m×1 m。对其泡孔结构、隔热性能、热性能进行了系统表征,分析了二氧化硅气凝胶原位填充聚酰亚胺泡沫的隔热机理。结果表明：二氧化硅气凝胶的引入,可有效降低复合泡沫室温热导率,提高其隔热性能;随着二氧化硅气凝胶含量的增加,聚酰亚胺复合泡沫的热导率由38.8 mW/（m·K）降低至19.6 mW/（m·K）;热端温度300 ℃时,复合泡沫热导率仅为61.1 mW/（m·K）;填充二氧化硅气凝胶后,聚酰亚胺复合泡沫热稳定性大大提高,在900 ℃下热失重残留量约为80%。     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

基于分形理论和节点分离有限元的泡沫铝防护结构数值仿真研究(英文)

利用数字图像处理技术对泡沫铝截面的分形特征进行了分析,使用对数线性回归方法计算了泡沫铝的分形维数。Serpinski垫片可以被用于泡沫铝截面建模。通过调整迭代次数和分割参数可以获得不同分形维数、不同相对密度的泡沫铝模型。使用节点分离的Lagrange有限元方法对超高速碰撞过程进行了分析,通过将数值仿真结果与实验结果对比表明了建模方法以及仿真方法的有效性。通过数值仿真,获得了等面密度的铝防护板以及泡沫铝防护板的弹道极限曲线。对比表明,泡沫铝板的防护性能明显优于铝板。泡沫铝材料适合应用于航天器防护。     

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。     

新型抗冲击吸能材料STG的结构和性能分析

为了减小震动冲击对人体的伤害,本文制备了一种具有缓冲作用的剪切增稠凝胶(STG),对其红外和流变性能进行了初步研究,将STG与聚氨酯泡沫(PU)结合提高泡沫的抗冲击性能,通过扫描电镜观察复合前后聚氨酯泡沫的微观形貌。结果表明:B原子顺利地引入硅氧烷链中;有明显的蠕变和剪切增稠性质;STG已经均匀的附着在泡沫泡壁上,并显著提高了聚氨酯泡沫材料的抗冲击性能,当速度达到9 m/s时,纯PU的剩余载荷约为3.6 k N,STG-PU的剩余载荷仅为1.7 k N左右,剩余载荷的减少量达到了53%。     

粘接条件对碳纤维增强复合材料四边形多胞结构耗能特性的影响

为研究多胞结构胞元间的粘接条件对结构耗能特性的影响,将碳纤维增强环氧树脂复合材料方管采用环氧树脂胶以不同粘接条件粘接在一起形成多胞结构,并进行了准静态压缩试验,分析了不同粘接条件下多胞结构的压缩破坏模式和耗能特性。研究结果表明：胞元间采用侧面粘接或底部粘接的方法可提高多胞结构的耗能特性;粘接底部比侧面粘接对多胞结构的耗能量和压缩载荷的影响更大;完全粘接试件的平均压缩载荷、耗能量和比吸能均最大。对于三胞结构而言,品字型三胞结构的耗能特性比L型三胞结构耗能特性更优。     

高应变率条件下38CrMoAl钢的动态力学行为及失效模型

38CrMoAl钢是飞机某频繁经受冲击载荷结构的主要材料，为了获得该钢在冲击载荷下的力学行为和失效参数，本文对38CrMoAl钢开展了准静态试验、应变率从650 s^-1至5 500 s^-1的动态力学试验以及应力三轴度试验，对材料的金相组织和断口形貌进行了微观观察分析，最后基于试验结果确定了材料的修正强度模型和失效模型参数。试验结果表明，38CrMoAl钢具有较强的应变率敏感性，材料屈服强度随着应变率的增加具有正应变率强化效应，应变率在10^-3~5 500 s^-1的范围变化时，屈服应力从450 MPa上升到了1 085 MPa，应变率为5 500 s^-1时材料的屈服应力达到了准静态条件下的2.41倍。对材料组织的微观观察分析发现材料主要由呈现颗粒状的回火索氏体组成，材料在高应变速率加载下其塑性发生了下降，断口由韧窝型塑性断口向局部解理断面发生转变，韧窝尺寸也随着应变率的升高而变小。对Johnson-Cook（J-C）强度模型中的应变率强化项进行了修正，使修正后的本构模型可以更有效地描述38CrMoAl钢的动态力学行为，最后结合数值模拟方法确定了材料的J-C失效准则参数。     

填充泡沫复合相变材料的热控单元热性能研究

建立了分析可移动电子设备热控制单元(TCU)热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.结果表明,填充泡沫复合相变材料(FCPCM)和肋都能很好地提高TCU内相变材料(PCM)的导热性能,能更好地满足电子元件的工作要求,且前者方案更具优势.此外,还对泡沫骨架材料和PCM的选择进行了计算分析,结果表明,孔隙率是影响TCU热性能的重要参数,铝FCPCM具有良好的热性能,PCM的选择应视电子元件的使用设计要求而定.所得结论对移动电子设备TCU的设计和优化有一定的指导作用.     

基于增材制造的多层金字塔点阵夹芯板抗压缩性能

基于增材制造工艺制备多层金字塔点阵夹芯板,并根据标准测试方法进行准静态平压破坏实验,得到多层金字塔点阵结构的抗压缩强度。结果表明:制备的金字塔点阵结构抗压缩性能的稳定性非常好,载荷-位移曲线变化规律基本一致;试件的点阵胞元节点处首先进入塑性,之后中间两层点阵在节点处发生断裂,试件平压强度的平均值为6.72 MPa;由于成型工艺的限制,杆件"背面"质量较差,实际杆件的直径小于理论值,导致平压强度的实验结果小于理论和仿真分析值;理想化假设导致理论分析的平压强度结果与实验结果相差较大,而仿真结果与实验结果误差较小,可以控制在20%左右,满足工程精度要求;通过对比载荷-位移曲线和典型载荷下的结构变形情况可知,仿真分析可以较准确预测该点阵结构的压缩行为。