疲劳损伤对蜂窝纸板能量吸收特性和内共振条件的影响

发布时间：2019-11-16 07:39

【摘要】：作为一种常用的纸质缓冲吸能材料,蜂窝纸板在受到面外压缩载荷作用下,其在压缩阶段会经历较长的平台应力阶段,材料在平台阶段的变形将耗散大量冲击能量,从而起到保护产品的作用。蜂窝纸板的缓冲吸能特性与原材料力学性能和结构相对密度密切相关,同时受到运输流通过程中疲劳振动、压缩出现的疲劳累积损伤等因素影响。本文以蜂窝纸板为研究对象,开展其疲劳压缩效应的实验与理论分析研究,探讨疲劳损伤机理,研究其基于疲劳压缩的力学性能、能量吸收性能、疲劳累积损伤演化、内共振条件和包装动力学特性变化。研究工作主要包括:(1)实验研究蜂窝纸板在不同厚跨比、不同压缩次数、不同初始预压缩率下的疲劳特性。选取3种不同厚跨比的典型蜂窝纸板,进行不同压缩次数和不同初始预压缩率条件下的疲劳压缩实验,分析获得蜂窝纸板力学性能和缓冲吸能特性随疲劳累积损伤的变化规律。在实验所涉及的相同厚跨比条件下,蜂窝纸板平台应力与单位体积吸收能量均随疲劳压缩次数的增加而减小;随着压缩次数的增加,吸能效率峰值点处的应力降低,吸能效率也降低。蜂窝结构厚跨比越大,疲劳效应对其平台应力的影响越显著,在疲劳压缩后期,压缩次数对平台应力影响不大。在低于30000次疲劳压缩下蜂窝纸板的平台应力变化较为显著,后期压缩后,疲劳效应对平台应力影响较小。在相同的疲劳压缩次数下,平台应力在预压缩率εp=25%之前的变化非常显著,后期变化微弱。随着预压缩率的增大,疲劳压缩后的初始杨氏模量变化较大,相同次数下的初始阶段斜率都随着预压缩率的增大而减小;同时能量吸收能力在预压缩率εp=25%之前变化较大,后期变化较小。(2)研究建立预测蜂窝纸板基于疲劳效应的平台应力模型。模型以蜂窝胞壁厚跨比、蜂窝纸板在标准测试环境下的平台应力以及损伤程度为控制参量,实验研究蜂窝纸板在不同疲劳损伤下的面外压缩特性和平台应力,进行理论模型预报值与实验结果比较,验证所建模型准确性。(3)建立预测蜂窝纸板基于疲劳效应的能量吸收模型。将蜂窝纸板材料静态力学特征进行分段简化表征,建立蜂窝纸板能量吸收模型,并进一步考虑疲劳损伤对能量吸收的影响,构建了估算不同疲劳损伤下能量吸收过程的理论模型。理想模型中,每一阶段的数学关系式均含有厚跨比、疲劳压缩次数、材料屈服强度等因素。得到不同疲劳损伤下蜂窝纸板能量吸收曲线,并由原纸固态模量进行标准化后得到最佳吸能肩点。(4)基于纤维增强复合材料的疲劳累积损伤演化模型,考虑不同预压缩率下蜂窝纸板的疲劳特性,选取疲劳累积损伤后的平台应力作为损伤参量,构建蜂窝纸板损伤演化模型。同时,采用平台应力法和演化法两种方法,对蜂窝纸板疲劳累积损伤失效极限进行计算;借鉴纤维增强材料疲劳失效极限S-N曲线法和?-N曲线法,通过平台应力法和演化法得到了蜂窝纸板不同预压缩率下的?p-N模型,并实验验证其有效性。(5)研究建立含有关键零部件的二自由度包装系统模型,采用变分迭代法的不同迭代准则求解单自由度、二自由度蜂窝纸板包装系统的内共振条件,并考虑疲劳损伤对内共振条件的影响。单自由度蜂窝纸板包装系统疲劳损伤后,在较低的频率比下将出现内共振。二自由度蜂窝纸板包装系统疲劳损伤后,改变关键零部件与产品之间的等效弹性刚度将有利于保护产品。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TS764;TB484

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本文编号：2561731