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吸能结构动态大变形检测及其性能研究

作　者: 王刚
导　师: 李喜德
学　校: 清华大学
专　业: 力学
关键词: 蜂窝铝 泡沫铝 冲击吸能 三维形貌测量
分类号: TB383
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


包装或保护结构的能量吸收行为对人和仪器受到冲击后的安全性起着关键的作用。在汽车、航空航天、核电站、精密仪器等领域中，对冲击吸能的研究具有重要的意义。多胞材料具有吸能效果好、变形模式稳定、相对密度小和成本低廉等优点，广泛用于吸能结构。论文结合实验检测、数值模拟和理论分析，对两种常见的多胞材料（蜂窝铝和泡沫铝）进行了研究。主要内容如下：建立了摆锤冲击测量实验系统，包括摆锤低速冲击、三维形貌测量和摆锤运动学测量三个单元。通过摆锤冲击实验研究了蜂窝铝的动态压缩性能及低速冲击吸能特性，并结合准静态平压实验，得到了蜂窝铝一维准静态的压缩性能。结果表明，在球形摆锤冲击下蜂窝铝结构具有很好的冲击吸能特性，其变形特征与准静态变形类似。研究中通过高速摄像系统和加速度传感器记录摆锤的加速度衰减过程，通过投影光载波技术获得受冲击蜂窝铝板表面的压缩行为和三维变形形貌。利用有限元方法进一步分析了蜂窝铝结构中内部损伤形式等实验中无法观测的现象，并且对冲击中不同时刻能量的成分及百分比，以及不同结构参数对吸能的影响进行了详细的分析。结果表明，变形体积和吸收的能量有近似线性的关系，塑形耗散能占吸收能量的绝大部分，蒙皮起到的连带效应可以增加结构的吸能能力。另外，获得的吸收能量和变形体积关系的结论也可以用于事故还原等实际应用。最后为提高吸能能力提出了参考建议。通过相同的实验系统论文还对闭孔泡沫铝进行了动态压缩性能及低速冲击吸能特性的研究。结果表明闭孔泡沫铝具有良好的冲击吸能特性。与蜂窝铝不同的是泡沫铝具有各向同性的特性，而且轴向有多个胞元排列，因而对不同层数的泡沫铝板进行冲击实验，并进行了变形体积和吸能关系的研究。用数值模拟方法进一步分析不同结构参数和不同性能泡沫铝板在冲击加载中不同放置方式对吸能性能的影响。结果表明，前硬后软的放置方式更利于提高加速度曲线上升速度并能减小加速度峰值，这一结论为提高吸能能力提出了参考性思路。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 引言  8-20
  1.1 吸能材料及其结构概述  8-13
    1.1.1 蜂窝铝  9-10
    1.1.2 泡沫铝  10-11
    1.1.3 能量吸收的一般原理和吸能性能表征方法  11-13
  1.2 国内外研究现状  13-17
    1.2.1 理论研究  13-14
    1.2.2 数值模拟  14-16
    1.2.3 实验方法  16-17
  1.3 本文研究的主要内容  17-20
第2章 摆锤冲击实验系统  20-34
  2.1 冲击实验技术简介  20-21
  2.2 三维形貌测量技术简介  21-23
  2.3 摆锤冲击实验单元  23-24
  2.4 稳定性验证  24-27
  2.5 三维形貌测量单元  27-32
  2.6 运动学测量单元  32-34
第3章 蜂窝铝板的吸能性能研究  34-56
  3.1 实验  34-43
    3.1.1 实验试件  34-35
    3.1.2 实验结果及分析  35-39
    3.1.3 平头准静态压缩实验  39-41
    3.1.4 蜂窝铝材料单向拉伸实验  41-43
  3.2 数值模拟  43-54
    3.2.1 有限元模型  43-46
    3.2.2 可靠性验证  46-48
    3.2.3 吸能因素分析  48-51
    3.2.4 能量吸收与变形体积分析  51-54
  3.3 理论估算  54-55
  3.4 总结  55-56
第4章 泡沫铝板的吸能性能研究  56-70
  4.1 准静态压缩实验和理论估算  56-61
    4.1.1 实验试件  56-57
    4.1.2 准静态压缩实验  57-59
    4.1.3 理论估算  59-61
  4.2 冲击实验  61-64
    4.2.1 实验结果与分析  61-63
    4.2.2 平压实验和冲击实验的比较分析  63-64
  4.3 数值模拟  64-68
    4.3.1 有限元模型与可靠性验证  65-66
    4.3.2 不同放置方式下两种硬度泡沫铝结构的吸能行为  66-68
  4.4 泡沫铝和蜂窝铝结构的吸能性能对比  68-69
  4.5 总结  69-70
第5章 全文总结  70-72
参考文献  72-75
致谢  75-76
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  76

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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