多层级波纹夹芯结构的变形和能量吸收性能研究

论文摘要

夹芯结构因具有较高的强度、良好的抗冲击性能、生产成本低、生产工艺简单等优点而广泛应用于工程防护、建筑、船舶等工程领域。层级波纹板夹芯结构既实现了对结构轻量化的要求,又提高了结构的能量吸收性能和防撞性能。根据层级结构的设计思想,基于传统波纹板夹芯结构的芯层,设计了3种芯层层数的二级波纹板夹芯结构,对其在准静态压缩载荷和冲击载荷作用下的动力响应进行了理论分析和数值模拟,建立了二级结构在准静态压缩载荷下的结构临界失效载荷公式,研究了结构芯层的层数与几何参数对其变形模式和能量吸收性能的影响。主要工作如下:考虑结构芯层横向小支撑的变形,推导了二级波纹板夹芯结构在准静态压缩载荷下的临界失效载荷公式。采用有限元软件LS-DYNA对准静态和冲击加载条件下不同几何参数的多层级波纹板夹芯结构的力学响应进行数值模拟,并与一级波纹板夹芯结构进行了对比分析。临界失效载荷的理论预测值与数值模拟结果吻合较好。结构芯层板的厚度、小支撑和大支撑面板厚度比、小支撑和大支撑面板长度比等几何参数是影响结构变形模式和吸能性能的主要因素。结构芯层的几何参数不同,变形模式与吸能性能不同。两种载荷作用下二级波纹板夹芯结构的变形模式有3种,分别是小支撑逐层折叠的塑性变形、小支撑发生变形压实后整体斜支撑的塑性变形、整体斜支撑塑性变形。二级单层结构变发生了3种变形模式,而二级双层和三层结构发生了2种变形模式。不同芯层板厚度和长度比的二级结构芯层发生小支撑逐层折叠的塑性变形时能量吸收性能较好,不同厚度比的二级结构芯层发生小支撑变形压实后整体斜支撑的塑性变形时能量吸收性能较好。在准静态压缩载荷下,二级波纹板夹芯结构芯层的比吸能显著高于一级结构。随着结构芯层板厚度的增大,二级双层与三层结构的比吸能和载荷效率增大。随着小支撑和大支撑面板厚度比值的增大,二级结构的比吸能和载荷效率减小;随着小支撑和大支撑面板长度比值的增大,二级单层结构比吸能和载荷效率增加,而二级双层与三层的比吸能减小,载荷效率变化不明显。因此在工程应用中可通过选择结构芯层的几何参数实现层级结构较高的吸能性能。在冲击载荷作用下,随着结构芯层板厚度的增大,二级波纹板夹芯结构的比吸能增大,二级双层与三层结构的碰撞力效率增大。随着小支撑厚度和大支撑面板厚度比值的增大,二级波纹板夹芯结构的比吸能减小,二级双层与三层结构的碰撞力效率减小。随着小支撑长度和大支撑面板长度比值的增大,二级单层结构比吸能增大,而二级双层与三层结构的比吸能略有变化,3种结构的碰撞力效率增大。研究结果可为层级夹芯结构的设计和工程应用提供理论依据和技术参考。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 夹芯结构研究现状
•     1.2.1 传统夹芯结构研究现状
•     1.2.2 层级结构研究现状
•   1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 多层级波纹夹芯结构芯层设计和理论分析
•   2.1 引言
•   2.2 结构芯层设计
•   2.3 理论分析
•   2.4 本章小结
• 第三章 准静态压缩载荷下多层级波纹夹芯结构的变形和吸能
•   3.1 引言
•   3.2 有限元模型
•     3.2.1 模型和网格
•     3.2.2 材料参数
•   3.3 准静态分析
•   3.4 能量吸收指标
•   3.5 芯层板厚度的影响
•     3.5.1 结构力-位移曲线
•     3.5.2 结构变形模式
•     3.5.3 能量吸收性能
•   3.6 小支撑厚度与大支撑面板厚度比的影响
•     3.6.1 结构力-位移曲线
•     3.6.2 结构变形模式
•     3.6.3 能量吸收性能
•   3.7 小支撑长度与大支撑面板长度比的影响
•     3.7.1 结构力-位移曲线
•     3.7.2 结构变形模式
•     3.7.3 能量吸收性能
•   3.8 本章小结
• 第四章 冲击载荷下多层级波纹夹芯结构的变形和吸能
•   4.1 引言
•   4.2 有限元模型
•     4.2.1 结构模型和材料属性
•     4.2.2 能量验证
•     4.2.3 网格敏感性验证
•   4.3 能量吸收性能指标
•   4.4 芯层板厚度的影响
•     4.4.1 结构力-位移曲线
•     4.4.2 结构变形模式
•     4.4.3 能量吸收性能
•   4.5 小支撑厚度与大支撑面板厚度比的影响
•     4.5.1 结构力-位移曲线
•     4.5.2 结构变形模式
•     4.5.3 能量吸收性能
•   4.6 小支撑长度与大支撑面板长度比的影响
•     4.6.1 结构力-位移曲线
•     4.6.2 结构变形模式
•     4.6.3 能量吸收性能
•   4.7 本章小结
• 第五章 冲击载荷下多层级波纹夹芯结构的变形模式分析
•   5.1 引言
•   5.2 二级单层结构
•   5.3 二级双层和三层结构
•   5.4 本章小结
• 第六章 全文总结与工作展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 冯根柱

导师: 刘志芳

关键词: 层级夹芯结构,能量吸收,比吸能,变形模式,数值模拟

来源: 太原理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 太原理工大学

基金: 国家自然科学基金(11772216)

分类号: O342

总页数: 79

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