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梯度蜂窝材料面内冲击性能的研究

何章权  
【摘要】: 近年来,多孔材料以其独特的综合性能和广泛的应用前景,受到越来越多的关注。如何正确描述多孔材料的动力学性能成为科学研究的热点问题之一。本文借鉴功能梯度材料的概念,建立了多孔梯度圆环蜂窝模型(Functionally graded circular honeycomb, FGCH)。此模型通过改变胞元的半径和厚度来改变蜂窝材料的面内特征参数,以实现蜂窝材料面内动力响应特性的多目标优化设计。基于此模型,使用非线性有限元软件ABAQUS,讨论了梯度蜂窝材料的动力响应特性和冲击速度,梯度系数以及胞元排布方式之间的关系。计算结果表明: (1)在面内冲击载荷作用下,梯度蜂窝材料表现出分段变形特征。在低速冲击下,分段平台应力值随压缩量的增加逐渐升高;而随着冲击速度的增加,对于α0变厚度以及α0变半径梯度蜂窝材料,其分段平台应力值随压缩量的增加逐渐降低。 (2)将薄弱层(半径较大或厚度较薄)排布在冲击端可以有效降低初始应力峰值; (3)在低速冲击下,对于同一结构,冲击方向(即梯度系数α的正负)对其能量吸收特性的影响可以忽略。但是随着冲击速度的增加,通过改变梯度系数的大小和正负,可以控制材料的能量吸收。 (4)在有限的几何尺寸范围内,通过在蜂窝材料的面内填充构件,可以提高蜂窝材料的初始应力峰值和能量吸收,是一种提高面内冲击性能的一种有效的方式。


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