圆形金属蜂窝芯材共面冲击性能的有限元分析

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圆形金属蜂窝芯材是一种重要的缓冲材料,在航空、包装、交通、建筑、军事等领域具有广泛的应用。国内外关于圆形蜂窝结构的研究主要集中在其静力学性能上,近年来基于缓冲优化设计的考虑,研究一些金属蜂窝芯材在共面冲击载荷下的缓冲性能与其结构参数和冲击速度的关系,具有十分重要的科学研究价值。关于蜂窝芯材性能的研究主要有实验法和有限元法。考虑到实验法的局限性,本课题采用有限元法来研究圆形金属蜂窝芯材的共面冲击性能,主要内容有以下几个方面:首先,系统总结了已有圆形蜂窝芯材的静力学理论,并给出相关力学参数——弹性模量、相对密度和密实化能量吸收等的计算公式。其次,用ANSYS/LS-DYNA软件建立圆形金属蜂窝芯材在共面动态冲击载荷下的可靠有限元模型,分析了共面方向上不同冲击速度下圆形金属蜂窝芯材的变形模式。低速冲击时圆形金属蜂窝芯材呈现双“V”局部变形模式;中速冲击时呈现单“V”局部变形模式;高速冲击时呈现“一”字形变形模式。最后,根据建立的共面冲击有限元模型和对应的分析方法,重点研究了壁厚半径比和冲击速度对圆形金属蜂窝芯材共面冲击性能的影响规律。结果表明,各结构参数固定时,圆形金属蜂窝芯材的共面峰应力(或单位体积密实化能量吸收)与冲击速度的平方成线性关系;冲击速度固定时,共面峰应力(或单位体积密实化能量吸收)与壁厚半径比成幂指数关系。并根据计算结果给出相关的经验公式。本文的研究方法可扩展用于聚合物、纸等为基材的蜂窝材料的研究上,是研究其它多孔材料的基础,具有重要的科学研究价值。
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