纤维缠绕复合材料夹芯圆柱体高应变率压缩吸能机理

为研究纤维缠绕复合材料夹芯圆柱体吸能元件在高应变率冲击压缩载荷作用下的变形损伤模式和能量吸收机理,采用ABAQUS商用有限元软件和分离式Hopkinson压杆装置开展数值模拟分析和试验验证研究。对比分析宏观力学响应规律和微观损伤破坏机理,可知吸能结构元件在高应变率压缩载荷下的力学响应具有典型的弹塑性特征,内部芯材主要产生压缩塑性损伤,而表层复合材料沿环向产生拉伸断裂破坏。研究表明,该吸能元件冲击压缩吸能特性优异,可满足水下结构平台的冲击防护和浮力储备要求。     

不锈钢面板与铝面板泡沫铝夹芯梁的抗爆性能

为考查泡沫铝夹芯梁的抗爆性能及面板材料对其抗爆性能的影响，采用数值模拟方法分析了面板材料分别为工业纯铝与304号不锈钢，芯材为Alporas泡沫铝共同组成相同质量泡沫铝夹芯梁在不同爆炸荷载作用下的跨中位移与芯材压缩应变的差异。研究结果显示：在爆炸冲量分别为1．82，3．77，6．08，7．0kN·s的作用下，工业纯铝面板泡沫铝夹芯梁跨中位移分别为304号不锈钢面板泡沫铝夹芯梁跨中位移的68％，83％，84％及86％，较304号不锈钢面板泡沫铝夹芯梁具有更好地抵抗爆炸冲击波的能力，面板材料对泡沫铝夹芯梁的压缩应变影响较小。     

夹层复合材料耐压圆柱壳深水静压承载特性分析

为探究新型夹层复合材料耐压圆柱壳在深水环境中的极限承载能力及失效模式,以湿法缠绕工艺成型的圆柱壳模型为研究对象,通过开展深水静压试验研究及数值仿真,分析了结构的极限承载能力及失效模式。结果表明:夹层复合材料圆柱壳的失效模式为整体失稳,内外蒙皮均出现明显纤维断裂,伴随结构渗水,内蒙皮与芯层界面处出现分层并扩展,导致结构完全丧失承载能力。同时,在兼顾结构强度与稳定性双重指标前提下,预测了结构的渐进破坏模式及极限荷载,预测值与试验结果相比误差为5.97%。该研究为夹层复合材料耐压壳的应用设计提供了技术储备。     

整体缝合夹芯结构复合材料力学性能

所设计的新型整体缝合泡沫夹芯复合材料结构,能够避免一般斜缝方式引起纤维交叉损坏的弊端。采用真空导入模塑工艺制备整体缝合泡沫夹芯结构复合材料,研究缝合结构、缝合方式以及缝合纱线用量对整体缝合泡沫夹芯复合材料平压力学性能和弯曲性能的影响。结果表明,新型缝合结构在保证平压力学性能的同时,相比于垂直缝合结构弯曲破坏载荷提高了94.4%;穿透缝合方式能够显著提高试样的平压强度和弯曲破坏载荷;随着缝合纱线用量的增加,整体缝合泡沫夹芯复合材料的压缩和弯曲性能显著提高。     

夹芯复合材料圆柱壳在静水压力下的承载能力试验

为研究极限复合材料圆柱壳在静水压力下的损伤现象和机理,首先基于钢制耐压壳比重大以及声学和磁学性能差的缺点,提出了使用夹芯复合材料圆柱壳作为潜水器耐压壳的新型结构形式;然后,采用试验研究,比较了两种模量芯材的夹芯复合材料圆柱壳结构在静水压力下的承载能力;最后,根据两种壳体的特点,设计了两种不同的试验方案进行试验,得到了壳体的失效载荷,并通过应变片测定了壳体复合材料表层上相应测点在试验过程中的应变数据。得到以下结果:HW-S01壳体受到屈曲效应的破坏,而HW-055壳体由于局部复合材料应力过载而失效;HW-S01壳体的试验失效荷载为1.34 MPa,HW-055壳体的失效载荷为11.2 MPa。试验结果表明:该夹芯复合材料圆柱壳有能力承受超过1 000 m水深的静水压力,可以对大潜深潜水器全复合材料耐压壳的设计研究提供参考。     

含分层缺陷复合材料夹芯梁力学特性及失效模式的试验研究

为研究分层缺陷对复合材料夹层结构承载特性的影响,对含面芯分层缺陷的复合材料夹芯梁开展了系列轴向压缩试验,采用高速摄影仪记录结构的变形形态及破坏过程,对结构出现的欧拉屈曲、剪切屈曲、局部面板褶皱、纤维压缩破坏等失效模式进行分析,并探讨了梁长度、表层厚度、芯层厚度、缺陷尺寸等参数对结构承载特性的影响。试验结果表明:表层厚度对结构的失效模式及承载能力有着直接影响;对于贯穿型矩形缺陷,当缺陷因子μ≥0.05时,结构发生局部屈曲失效;局部屈曲为非稳态失效,当面板出现局部褶皱后,面芯分层缺陷迅速沿轴向向两端扩展,扩展路径可由面芯界面层进入芯层,造成芯层的剪切破坏。     

垂向冲击作用下金字塔点阵夹芯单元结构失效分析

为研究金字塔点阵夹芯结构在垂向冲击载荷作用下的动态力学性能,通过对其中一个单元结构在垂向压力作用下的受力和失效模式分析,同时考虑应变强化和应变率影响,建立了结构失效应力计算方法。为验证该计算方法,开展了落锤冲击试验,同时利用高速摄影机记录模型的响应过程,测量了模型垂向压缩的等效应力-应变关系。试验结果表明:结构失效模式与理论分析吻合,结构失效应力与理论计算相差不大。该研究结果可为金字塔点阵夹芯结构冲击吸能理论研究和数值仿真研究提供参考。     

夹芯复合材料T型接头侧弯损伤机理及强度特性分析

针对复合材料夹芯板材构件的侧弯承载和坚固连接要求,设计了弧形过渡区增强型T型胶接接头。建立了夹芯复合材料T型接头数值模型,模拟了其在侧弯载荷作用下的损伤产生、扩展及失效过程,并对夹芯复合材料T型接头试件进行了静态侧弯试验。结果表明:接头发生初始损伤的线载荷强度为44~47N/mm,损伤发生后接头的刚度值发生折减(降低约28%~32%),此时接头的承载能力仍在上升;试件界面完全剥离载荷强度较初始损伤线载荷强度略有增加(线载荷强度范围为54~62N/mm)。数值计算与试验结果吻合,表明弧形过渡区是夹芯复合材料T型接头最薄弱的部位,易发生破坏;初始损伤将首先出现在弧形过渡区复合材料表层,随着层间裂纹的扩展,过渡区复合材料与芯材的复合界面处出现剥离破坏并向自由端端部界面扩展,这是导致夹芯复合材料T型胶接接头失效的最主要原因。     

安静型夹芯复合材料舵设计及其力学性能分析

通过对夹芯复合材料各层材料的选择,以及夹芯复合材料舵壳的结构设计,提出了夹芯复合材料舵的设计方案和制作工艺。并利用有限元方法计算了复合材料舵壳在流体压力作用下的应力和变形,以及在瞬态载荷作用下舵壳的振动响应。计算结果表明,夹芯复合材料舵壳满足结构的强度和刚度的要求,同时振动水平与钢舵比较有很大的改善。     

纤维缠绕复合材料约束球形浮力芯材准静态压缩吸能机制

针对海洋工程平台的防护吸能和浮力储备需求,设计一种纤维缠绕复合材料约束球形浮力芯材吸能结构。为分析其变形损伤特征和能量耗散机理,通过ABAQUS有限元软件和万能材料试验机开展数值模拟分析和试验验证研究。通过力学响应特征和损伤破坏模式分析可知,结构吸能设计的关键在于表层和芯材的泊松比匹配。芯材主要通过塑性压缩损伤和剪切断裂破坏吸收能量,而表层吸能则主要通过环向的花瓣形拉伸断裂破坏。研究表明,该型结构单元压缩吸能特性优异,可实现海洋工程结构平台的防护吸能和浮力储备要求。     

轻质夹层复合吸声结构的制备工艺和水声性能

夹层复合吸声结构具有很强的可设计性,得到广泛的应用,但以往研究的此夹层结构的吸声芯材存在密度较大的问题。为此,设计了一种轻质夹层复合吸声结构,对该结构的制备工艺特别是芯材的制备工艺进行了设计,用玻璃钢作为表层材料、用柔性环氧树脂和聚氨酯改性环氧树脂的混合物为基体、空心玻璃微珠为填料、593和聚醚胺为固化剂所制备的多孔复合材料作为芯材来制备夹层复合吸声结构,制作了该结构的声学测试试件,在脉冲声管中测试了其水下声学性能。结果表明:所设计的夹层复合吸声结构具有较低的密度和良好的吸声性能,证明了该制备工艺设计的合理性。     

PMI泡沫夹层结构雷达天线罩间接热-结构耦合分析与实验研究

机载PMI泡沫夹层结构雷达天线罩在环境温度变化时将产生表面变形现象并影响其使用性能,但对天线罩热变形结果进行实时检测分析具有一定难度。通过ANSYS间接热-结构耦合法建立了分析模型,对天线罩进行了计算分析,采用热膨胀片状模型进行了理论分析,在此基础上,设计并开展了温度冲击实验研究。结果表明, PMI夹层结构天线罩的热-结构耦合变形综合应变趋势是棱边处膨胀程度最大,由边缘至天线罩透波面中心处,膨胀程度逐渐减小；间接热-结构耦合计算应变值与实测应变值之间平均相差35.08%,间接热-结构耦合分析方法与模型具有一定的可信性。     

填充式波纹夹层结构超高速撞击特性仿真

基于航天器空间碎片被动防护需求,对一种新型填充式波纹夹层结构进行超高速撞击仿真研究,分析超高速撞击过程以及结构的穿孔破坏情况和所形成的碎片云的特性,并与相同面密度Whipple结构进行对比。其撞击现象与Whipple结构相似,但其碎片云的头部速度小于Whipple结构,而径向膨胀最大速度和膨胀半角均大于Whipple结构。随撞击初速从3 km/s~10 km/s不断增大,波纹夹层结构的撞击穿孔尺寸变大,形状也更不规则。此外,结构中的填充树脂对碎片撞击能量的吸收贡献最大,后面板所吸收的能量所占比重较大,而前面板和波纹板对碎片撞击能量的吸收贡献较小。研究结果对空间碎片防护结构的设计具有一定的参考意义。     

Optimal design of a novel cylindrical sandwich panel with double arrow auxetic core under air blast loading

The increasing threat of explosions on the battle field and the terrorist action requires the development of more effective blast resistance materials and structures. Curved structure can support the external loads effectively by virtue of their spatial curvature. In review of the excellent energy absorption property of auxetic structure, employing auxetic structure as core material in curved sandwich shows the potential to improve the protection performance. In this study, a novel cylindrical sandwich panel with double arrow auxetic (DAA) core was designed and the numerical model was built by ABAQUS. Due to the complexity of the structure, systematic parameter study and optimal design are conducted. Two cases of optimal design were considered, case1 focuses on reducing the deflection and mass of the structure, while case2 focuses on reducing the deflection and increasing the energy absorption per unit mass. Parameter study and optimal design were conducted based on Latin Hypercube Sampling (LHD) method, artificial neural networks (ANN) metamodel and the nondominated sorting genetic algorithm (NSGA-Ⅱ). The Pareto front was obtained and the cylindrical DAA structure performed much better than its equal solid panel in both blast resistance and energy absorption capacity. Optimization results can be used as a reference for different applications.     

方孔蜂窝夹层板在爆炸载荷下的动态响应

通过有限元数值模拟方法,对方孔蜂窝夹层板在爆炸冲击载荷下的动态响应和变形机理进行了分析.在单位面积质量以及夹芯层的高度、宽度给定的情况下,得出了最优的夹芯层相对密度.在此相对密度下,夹层板吸收能量最多,下面板变形最小,夹层板的抗冲击性能最优.将单位面积质量相等的夹层板和实体板进行了对比分析,结果表明:夹层板具有更加优良...     

Sandwich structure for enhancing the interface reaction of hexanitrohexaazaisowurtzitane and nanoporous carbon scaffolds film to improve the thermal decomposition performance

Improving the thermal decomposition performance of hexanitrohexaazaisowurtzitane (CL-20) by appropriate methods is helpful to promote the combustion performance of CL-20-based solid propellants. In this study, we synthesized a sandwich structure of CL-20 and nanoporous carbon scaffolds film (NCS) and emphatically studied the thermal decomposition performance of the composite structure. Thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry were used to measure the thermal decomposition process of the composite structure. The kinetic parameters of thermal decomposition were calculated by the thermal dynamic analysis software AKTS. These results showed that the thermal decomposition performance of the sandwich structure of CL-20 and NCS was better than CL-20. Among the tested samples, NCS with a pore size of 15 nm had the best catalytic activity for the thermal decomposition of CL-20. Moreover, the thermal decomposition curve of the composite structure at the heating rate of 1 K/min was deconvoluted by mathematical method to study the thermal decomposition process. And a possible catalytic mechanism was proposed. The excellent thermal decomposition performance is due to the sandwich structure enhances the interface reaction of CL-20 and NCS. This work may promote the extensive use of CL-20 in the field of solid rocket propellant.     

Development of cost effective personnel armour through structural hybridization

The objective of the present study is to develop cost effective thermoplastic hybrid laminate using Dyneema® HB50 and Tensylon®HSBD 30A through structural hybridization method. Laminates having 20 mm thickness were fabricated and subjected to 7.62 × 39 mm mild steel core projectile with an impact velocity of 730 ± 10 ms⁻¹. Parameters such as energy absorption, back face deformation and rate of back face deformation were measured as a function of hybridization ratio. It was observed that hybrid laminate with 50:50 ratio (w/w) of Tensylon® and Dyneema® with Tensylon® as front face showed 200% more energy absorption when compared to 100% Tensylon® laminate and showed equal energy absorption as that of expensive 100% Dyneema® laminate. Moreover, hybrid laminate with TD50:50 ratio showed 40% lower in terms of final back face deformation than Dyneema® laminate. Rate of back face deformation was also found to be slow for hybrid laminate as compared to Dyneema® laminate. Dynamic mechanical analysis showed that, Tensylon® laminate has got higher stiffness and lower damping factor than Dyneema® and hybrid laminates. The interface between Tensylon® and Dyneema® layers was found to be separating during the penetration process due to the poor interfacial bonding. Failure behaviour of laminates for different hybridization ratios were studied by sectioning the impacted laminates. It was observed that, the Tensylon® laminate has undergone shear cutting of fibers as major failure mode whereas the hybrid laminate showed shear cutting followed by tensile stretching, fiber pull out and delamination. These inputs are highly useful for body armour applications to design cost effective armour with enhanced performance.     

基于表层及芯材阻尼特性的夹层结构导纳分析

针对复合材料夹层板结构,综合开展芯材材料阻尼特性动力学热分析(DMTA)试验、表层玻璃钢和芯材试件阻尼衰减特性研究,通过夹层板结构的模态激振试验得到结构的模态阻尼比。从结构动力学方程出发探讨了影响多自由度系统结构传递导纳的相关参量,试验对比分析了钢质板和复合材料夹层板两型结构的传递导纳特性,并研究了激振点与响应点间距对复合材料夹层结构传递导纳的影响。研究表明:当尺寸和边界条件相同时,影响结构传递导纳的主要因素是结构的固有频率和模态阻尼。试验还得到了复合材料夹层板较钢质板的基频提高值和传递导纳降低均值,该试验结果可为工程设计提供参考。