玻璃纤维/树脂复合材料泡沫夹层板弯曲能量耗散机制

[目的]为了解玻璃纤维/树脂复合材料夹层板在弯曲载荷作用下的能量耗散机制,从能量耗散角度开展数值模拟分析和试验研究。[方法]基于有限元软件ABAQUS建立玻璃纤维/树脂复合材料泡沫夹层板的有限元分析模型,对三点弯曲试验中典型的破坏模式和能量耗散机制进行模拟分析,将数值模拟结果与试验结果进行对比。在数值模型有效性分析的基础上,进一步分析面板和夹芯层厚度对玻璃纤维/树脂复合材料泡沫夹层板力学承载性能和能量耗散机制的影响。[结果]结果表明,增加表层复合材料面板厚度能够更大程度地提高玻璃纤维/树脂复合材料泡沫夹层板的比吸能效率。[结论]研究成果可为玻璃纤维/树脂复合材料泡沫夹层结构的工程防护应用设计提供参考,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

Analysis of impact damage characteristics of marine carbon fiber composite laminates embedded with PEI film北大核心CSCD

[目的]在传统船用碳纤维复合材料层合板层间添加热塑性相材料能有效提升船用复合材料的抗冲击性能,为探究其冲击损伤特性,开展实验研究。[方法]使用光学显微镜观察层合板的热塑性/热固性界面,分析两相材料的结合方式;对不同结构的复合材料层合板进行低、中、高3种不同能量的低速冲击;通过超声C扫描与电子显微镜,对各试件的损伤形貌进行观测,以研究各试件的冲击响应及损伤机理。[结果]结果显示,相较于碳纤维层合板,含热塑性相的船用复合材料层合板具有更好的损伤阻抗;内部嵌膜层合板试件在冲击能量为8和12 J的冲击下,内部分层损伤分别减少了19%和39%,且受到12 J冲击后,内部结构损伤较小,完整性较好。[结论]将PEI热塑性膜嵌于内部能提升层合板的韧性,显著减少内部分层损伤,明显提升内部嵌膜层合板的抗冲击性能。     

斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析

[目的]为分析冲击损伤对层合板压缩强度和失效行为的影响,对冲击后的编织碳纤维复合材料层合厚板开展面内压缩试验和数值仿真研究。[方法]通过建立有限元模型,开展层合板冲击后的压缩仿真分析,采用Fortran语言编写用户自定义材料子程序（VUMAT）,实现改进的Hashin失效准则和基于损伤变量的材料退化模型在ABAQUS/Explict中的应用;从压缩强度和压缩破坏模式两方面将数值模拟与试验结果进行对比,验证所建立数值模型的有效性。[结果]结果显示,冲击损伤会降低层合板的压缩强度,无损层合板的压缩失效模式为端部破坏,冲击后的层合板会出现横贯试件中部的截断式破坏;冲击后的压缩强度会随冲击能量的增大而降低,但压缩强度与冲击能量之间并不存在线性关系;层合板损伤行为的拓展与压缩载荷的历程密切相关,压缩载荷在达到层合板破坏载荷的阈值之前,层合板的损伤几乎没有发生拓展,一旦压缩载荷达到阈值,损伤将沿宽度方向迅速拓展,最终发生横贯整个模型宽度方向的压缩损伤。[结论]所做研究可为斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板的抗冲击性能评估提供参考。     

玻璃纤维增强乙烯树脂复合材料层合板锥形冲头碰撞试验研究

利用自行设计的摆锤试验装置,对玻璃纤维增强乙烯树脂复合材料层合板结构开展了低速碰撞试验研究。通过对比分析冲击力、试件背面中心点位移以及采用超声C扫描定损技术,对复合材料层合板的损伤特性进行了详细分析。试验表明,在一定碰撞能量下复合材料层合板受冲击面出现明显损伤,同时伴随着内部大范围的分层损伤现象的发生;随着碰撞能量的增加,层合板受冲击面损伤程度随之增加,背冲击面也由无明显损伤到出现基体开裂和纤维断裂的现象变化;层合板内部分层的面积与其吸收的能量有关。     

夹层板改善单舷侧散货船耐撞性能的数值模拟分析

船舶碰撞事故中船艏对船中垂直碰撞是最为危险的情形,为提高船舶的防撞性,在单层壳舷侧填充夹层(蜂窝式夹层板、圆管式夹层板、折叠式夹层板等)以提高舷侧结构的能量吸收能力。利用有限元仿真软件MSC/Dytran对改进的夹层板舷侧结构及常规舷侧结构在横向冲击载荷作用下的变形损伤、能量吸收及极限撞击速度进行对比分析。数值仿真结果表明,改进的夹层板结构显著提高了舷侧结构的耐撞能力,是一种先进的船舶防护结构形式,且圆管式夹层板结构最理想,上蒙皮为其主要吸能构件。     

低速碰撞载荷下钢制波纹夹层板动态响应研究

基于有限元软件Ansys/LS-DYNA,对钢制梯形波纹夹层板在低速碰撞载荷作用下的动态响应进行数值仿真研究,分析碰撞能量、冲头直径大小、碰撞位置和冲头撞击方向对夹层板动响应特性的影响。结果表明,随着碰撞能量从100 J增加到400 J,面板变形呈现出线性增加的趋势,碰撞能量达到一定水平后,结构出现损伤破坏,并且发现这种损伤的发生存在相对恒定的临界值,上面板吸能占比减小了30.5%,芯层和下面板吸能占比依次增加了12.4%,18.1%。冲头直径过小会带来明显的载荷局部效应,碰撞位置位于芯层胞元跨中时芯层无法对冲头进行直接支撑,这都会引起上面板的撕裂破坏,甚至被冲头贯穿。随着冲头撞击角度增加,上面板的撕裂破口逐渐由横向变为纵向,夹层板整体的能量吸收速率逐渐变大。在给定的载荷状况下,冲头30°撞击时,夹层板的耐撞性能较优;冲头90°撞击时,夹层板的耐撞性能较差。     

Ballistic performance of ultra-high molecular weight polyethylene laminates against fragment-simulating projectiles北大核心CSCD

[目的]旨在探究破片侵彻作用下高强聚乙烯(UHMWPE)纤维增强层合板的毁伤响应过程、失效模式转变和能量吸收特性。[方法]采用有限元软件ANSYS/AUTODYN,建立UHMWPE层合板抗破片侵彻数值模型,分析UHMWPE层合板的失效模式转变和能量吸收特性。[结果]破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程大致可以分为剪切冲塞阶段和拉伸变形阶段。破片入射速度和靶板厚度会直接影响靶板的能量吸收特性。靶板厚度越大,剪切冲塞模式占比越大。在靶板厚度不变的情况下,随着破片侵彻速度的提高,剪切冲塞模式占比越来越大,最终趋于稳定。在破片弹道极限速度以上初始小范围内,靶板吸能随破片入射速度增大有所减小,随后破片速度继续增加会扩大靶板剪切冲塞破坏范围,导致靶板整体吸能量增加。[结论]基于所建立的数值模型能够较好地模拟破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程,可以为UHMWPE材料在弹道防护领域的应用提供参考。     

等效刚度法计算波纹夹层板弯曲变形与应力

[目的]为探索波纹夹层板弯曲问题的计算方法,求解波纹夹层板的弯曲变形与应力,提出一种等效刚度法。[方法]将波纹夹层板中间芯层等效成正交异性体,应用卡氏定理求解芯层的等效弹性模量,最后应用层合板理论计算夹层板的整体刚度。依据夹层板的整体刚度,求解正交异性板的弯曲平衡方程,计算出夹层板的弯曲变形分布;通过求出的变形,应用虎克定律,即可推导夹层板的弯曲应力分布。[结果]通过算例验证,与文献[7]的方法相比,本文方法计算的刚度误差为-6.98%;与有限元法相比,本文方法计算的夹层板变形最大误差为-2.01%,应力最大误差为3.63%。[结论]这种分层累加计算整体刚度的方法,不仅可避免完全直接采用文献[7]的方法计算刚度时的复杂繁琐推导,而且用于弯曲计算还可获得较好的精度。     

混杂复合材料层合板弯曲刚度特性影响规律研究

针对均布载荷作用下混杂层合薄板弯曲刚度特性及其铺层优化设计问题展开研究。首先,基于经典层合薄板理论,以板中心挠度为弯曲刚度评价基准,分析表明影响弯曲刚度的主要因素为D11和D22;然后推导了混杂比ζ与弯曲刚度系数的关系式,分析结果显示,具有相同混杂比时,夹层混杂方式较层间混杂方式具有更为优异的抗弯刚度特性;最后,基于层合梁弯曲试验,测得了不同混杂比时T700/E800/350环氧夹层混杂梁的表观弯曲模量。试验与理论分析结果对比分析表明:夹层混杂结构弯曲刚度系数的理论计算可以预测层合薄板实际的弯曲刚度系数,相关理论分析结果可供混杂复合材料层合板抗弯刚度铺层设计提供理论依据。     

空爆载荷下功能梯度泡沫铝夹层板动响应数值仿真

[目的]为了提高轻质泡沫铝夹层板的抗爆性能,[方法]通过采用有限元软件AUTODYN,对功能梯度泡沫铝夹层板在空爆载荷作用下的动态响应开展研究。在功能梯度泡沫铝夹层板的芯层高度及重量不变的情况下,分析讨论芯层不同排列顺序对夹层板上、下面板中心处速度、塑性变形和各部件吸能的影响。[结果]结果表明:夹层板上面板中心点处最大速度随迎爆面一侧芯层密度的增大而减小;芯层密度从迎爆面到背爆面依次为高—低—中排列顺序的夹层板的抗爆性能最好;芯层吸收了大部分能量,并且在迎爆面一侧密度小的排列组合其吸能特性最好。[结论]数值分析结果可为泡沫铝夹层板的芯层优化设计提供参考。     

蜂窝式夹层板耐撞性能研究

蜂窝式夹层板因有结构轻、强度高等优越的力学性能使其在卫星、飞机、高速列车、快艇等轻型交通系统中得到了广泛的应用。为了了解该结构的横向抗撞性能,利用有限元仿真软件MSC/Dytran分析了蜂窝式夹层板结构在横向冲击载荷作用下的损伤变形、碰撞力、能量吸收、耐撞性指标;并与等效平板进行了比较分析;讨论了结构尺寸参数和耐撞性能的关系。研究结果表明:蜂窝式夹层板具有良好的耐撞性能;结构密度是影响结构耐撞性能的关键因素;夹芯层高度对结构的耐撞性影响不大,随夹芯层高度增加结构吸能增加。     

复合材料波纹夹层结构低速冲击后的剩余弯曲承载能力

制备上下面板为碳纤维增强树脂基层合板、芯层为铝合金压制波纹的杂交复合结构,对其开展低速冲击性能试验及冲击后的剩余弯曲承载能力试验。结果表明,低速冲击对复合材料波纹夹层结构造成的损伤会对其剩余弯曲承载能力有较大的影响,但随着冲击能量的增大,剩余承载能力却变化极小,而冲击位置对结构的剩余承载能力影响却非常明显。     

钢/尼龙夹层板抗爆性能研究

舰船结构在战斗中会受到炮弹与子弹的撞击,同时也面临炸药产生冲击波带来的损伤。钢/尼龙夹层板具有优良的抗爆性能,使得战舰在冲击过程中大大减少结构的破坏;钢/尼龙夹层板是一种具有较高比刚度与比强度的结构,本文使用有限元模拟软件分析比较了钢板与钢/尼龙夹层板在冲击波作用下的吸能情况和不同结构形式夹层板在相同冲击波作用下的响应情况,并将夹层板与同等质量钢板的吸能进行分析比较,结果表明钢/尼龙夹层板具有更好的吸能效果。当夹层板总厚度一定时,夹层板的厚度比与其对应的比变形之间存在幂函数的关系。     

低速冲击载荷下Ti80合金平板动响应数值分析北大核心CSCD

[目的]旨在通过动响应数值计算来评估Ti80合金在低速冲击载荷下的抗冲击性能。[方法]首先,利用有限元软件Abaqus/Explicit建立Ti80合金平板低速冲击有限元模型;然后,基于已有的试验结果,验证材料参数的合理性和有限元模型的可靠性;最后,基于该有限元模型,对比分析冲头形状、材料的屈服强度和断裂能对低速冲击载荷下Ti80合金平板动响应的影响。[结果]在冲击响应过程和变形/失效模式下,有限元计算结果与试验结果吻合良好;在低速冲击载荷下,损伤最先出现在Ti80合金平板的背面;锥形冲头的扩孔效应将对Ti80合金平板造成严重的冲塞破坏;冲击响应过程中的冲击力峰值、冲头位移峰值和能量吸收量与屈服强度呈近似线性关系;断裂能的变化对Ti80合金平板的变形/失效模式影响显著,但相较于屈服强度,其对能量吸收量的影响并不明显。[结论]研究成果可为Ti80合金结构物的抗冲击设计提供参考。     

舰船加筋板结构的圆孔形穿甲损伤识别方法

[目的]舰船在执行作战任务时会受到导弹或炮弹的攻击,而穿甲损伤识别有其特殊性,对其进行专门研究具有重要意义。[方法]以舰船普遍存在的加筋板结构作为研究对象,首先,采用加筋板前3阶模态的固有频率作为特征参数的概率神经网络(PNN)对加筋板进行圆孔形穿甲损伤识别研究;然后,通过结合模态特征和加速度方差的结构损伤识别方法,解决固有频率的对称性识别问题。[结果]结果表明,所用方法对圆孔形穿甲损伤的定位和损伤程度识别效果良好。[结论]概率神经网络收敛速度快,易于在硬件上实现高度吻合的加筋板结构圆孔形穿甲损伤识别问题。     

蜂窝式夹层板结构单元的防护性能分析

基于某舰船的船底板架,设计出了四边形蜂窝夹层板结构单元,比较分析了船底板架、等效平板、夹层板在典型工况(炸药量500 kg,爆距15 m)水下爆炸冲击波载荷作用下的损伤变形、结构位移、吸能及运动响应,同时对比分析不同冲击因子下3种结构的防护性能。分析表明,夹层板在水下冲击波作用下的最大变形是船底板架的2/3~1/3处,一定程度上改善了冲击环境,具有优越的防护性能。     

夹层板系统碰撞性能数值仿真分析

夹层板系统(SPS)具有优越的力学性能,在修船中应用广泛。夹芯层具有很好的缓冲作用,可作为耐撞结构应用于船舶结构设计,提高其耐撞性能。基于非线性有限元软件ABAQUS分析SPS在碰撞冲击载荷下的结构损伤变形、碰撞力和能量吸收等力学行为,并对比分析其与加筋板架、折叠式夹层板的碰撞性能,最后研究了自身结构尺寸参数对其碰撞性能的影响。研究表明,SPS具有良好的碰撞性能,优于加筋板架和折叠式夹层板。SPS自身结构参数对其碰撞性能有一定影响,面板厚度增加,上下面板吸能明显增加,比能随着面板厚度的增加呈下降趋势,对夹芯层的吸能及比能影响不明显。夹芯层高度增加,夹芯层和上面板吸能明显增加,上面板比能增加最快,对夹芯层和下面板的比能影响不明显。     

舷侧圆管式夹层板结构耐撞性能优化设计

圆管式夹层板是一种新型船舶防护结构形式,通过在单层壳舷侧填充圆管式夹层以提高船体的耐撞性能。由于舷侧夹层结构在增加船体耐撞性的同时增加了船体质量,因此需要对圆管式夹层板进行尺度优化,在确保舷侧耐撞性增强的同时,有效控制船体质量增量。以船首与船侧相撞为例,综合考虑撞深、能量吸收、极限撞击速度和质量,提出一种耐撞性优化指标。基于正交试验设计、BP(Back Propagation)神经网络和遗传算法,得出最优的夹层板尺度,并利用有限元仿真软件MSC/Dytran对船舶碰撞进行数值仿真,从而确定最优的耐撞性舷侧结构设计。结果表明,优化后的舷侧圆管式夹层板结构在提高耐撞性能的同时能较好控制船体质量增量。研究成果在夹层板舷侧结构耐撞性能优化方面具有重要的作用,也为其他新型舷侧结构耐撞性能优化设计提供了参考。