冲击载荷下周期性层状管结构中应力波衰减特性研究
发布时间：2022-01-04 14:44
利用分离式霍普金森压杆试验装置（SHPB）开展了周期性层状管结构的动态冲击试验,结合有限元数值仿真研究了冲击载荷作用下周期性层状管结构中瞬态应力波传播与衰减特性。基于固体晶格能带理论,研究了周期性层状管结构的带隙特性,阐明了能带结构与应力波频谱衰减区域的对应关系,分析了层状管的材料和结构参数对带隙的影响。研究结果表明,周期性层状管结构具有良好的冲击应力波衰减特性和抗冲击性能,其应力波衰减特性主要由其带隙引起,层状管的材料和结构参数对带隙的频率范围和宽度具有有效的调节作用。该研究工作可以为工程抗爆抗冲击提供新思路。
【文章来源】：振动与冲击. 2019,38(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
周期性层状管结构动态冲击试验(d)
干涓说某ざ任?2000mm。数据采集系统由黏贴在入射杆和透射杆上的应变片、惠斯通桥路(应变片接线桥盒)以及动态应变仪以及高速采集系统组成。本试验采用TMＲ-200动态应变采集仪，PC端配备配套软件TMＲ-7200，最高采样频率高达100kHz。应变片为单向应变片，分别贴在入射杆和透射杆的中间位置。周期性层状管结构动态冲击试验测试平台如图1(d)所示。同时，在动态冲击试验测试基础上，利用有限元软件ABAQUS建立冲击载荷作用下周期性层状管结构中瞬态应力波传播有限元数值模型如图2所示。数值模型中入射杆、试件、透射杆尺寸及边界条件按实验情况设定，入射杆和透射杆的长度均为2m，试件总长0．14m，撞击杆、入射杆和透射杆均为铝合金材质，其弹性模量E=70GPa，密度ρ=2700kg/m3，泊松比μ=0．35。入射杆、试件以及透射杆均能沿轴向移动或绕轴转动，以试验测得的入射应力波作为输入条件加载到入射杆端面，试件与入射杆和透射杆定义面面自动接触，单个试件之间采用绑定连接。由于计算模型形状规整，采用六面体网格(Hex)对模型进行划分，单元类型均为C3D8Ｒ，并对周期性层状管结构进行网格细化，最终模型共87104个单元，其中试件的单元数量为44900个，求解器采用动态显示求解，数值计算所选测点与试验测点相同，分别位于入射杆和透射杆中间。图2瞬态应力波有限元数值计算模型Fig．2Numericalmodelofstresswavepropagation周期性层状管结构动态冲击试验与有限元数值模型得到入射应力波、透射应力波结果如图3所示。从图中可以看到，由SHPB装置产生的入射应力波近似为矩形脉冲，当入射应力波经过周期性层状管
期性层状管结构的应力波衰减特性和抗冲击性能。图3冲击应力波衰减特性Fig．3Impactstresswaveattenuationcharacteristics2周期性层状管结构中应力波衰减机理为了进一步深入揭示周期性层状管结构中应力波衰减机理，本节基于固体晶格能带理论，研究周期性层状管结构的带隙特性，阐明能带结构与应力波频谱衰减区域的对应关系。为了研究层状周期管结构的禁带特性，建立由钢和环氧树脂组成的层状周期管结构的原胞模型如图4所示。选取结构参数如下:晶格常数a=40mm，其中钢管和环氧树脂管长分别为a1=a2=20mm，管外径D=30mm，管壁厚t=5mm。图4周期性层状管结构的原胞模型Fig．4Unitcellofperiodiclayeredtubes基于固体晶格能带理论，一维周期性层状管结构晶格具有周期性和点群对称性。通过在原胞模型左右两端施加周期性，并沿着波矢方向进行参数扫描，求解各个波矢下结构的本征模式和本征频率，得到周期性层状管结构的能带结构［13-14］如图5所示。从图中可以看到，周期性层状管结构能带结构在0～25kHz频率范围内共有七条能带，形成了两个完全禁带(图5填充区域)。第一禁带位于第四条能带和第五条能带之间，禁带范围为12．5～17．5kHz，第二禁带位于第五条能带和第六条能带之间，禁带范围为18～22．5kHz。为了研究应力波衰减的频域特性，对入射和透射应力波时间历程曲线进行傅里叶变换得到应力波频谱图如图6所示。由图可以发现，周期性层状管结构的透射应力波在12kHz到25kHz范围内相对于入射应图5周期性层状管结构的带隙特性Fig．5Bandstructuresofperiodiclayeredtubes力波具有明显的衰减，频谱衰减区间正好对应于周期性层状
【参考文献】：
期刊论文
[1]泡沫填充多边形单锥管与双锥管斜向加载下耐撞性分析[J]. 陈亚枫,白中浩. 振动与冲击. 2017(06)
[2]椭圆形泡沫填充薄壁管斜向冲击吸能特性仿真研究[J]. 高强,王良模,王源隆,王陶,郭福祥,张遵智. 振动与冲击. 2017(02)
[3]泡沫铝填充多棱管的吸能分析[J]. 程涛,向宇,李健,余玲. 振动与冲击. 2011(09)
[4]复合材料/铝复合管轴向准静态及冲击压溃的吸能特性[J]. 袁潘,杨智春. 振动与冲击. 2010(08)
[5]泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器吸能特性的试验研究[J]. 罗昌杰,刘荣强,邓宗全,王闯,李萌. 振动与冲击. 2009(10)
本文编号：3568531
【文章来源】：振动与冲击. 2019,38(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
周期性层状管结构动态冲击试验(d)
干涓说某ざ任?2000mm。数据采集系统由黏贴在入射杆和透射杆上的应变片、惠斯通桥路(应变片接线桥盒)以及动态应变仪以及高速采集系统组成。本试验采用TMＲ-200动态应变采集仪，PC端配备配套软件TMＲ-7200，最高采样频率高达100kHz。应变片为单向应变片，分别贴在入射杆和透射杆的中间位置。周期性层状管结构动态冲击试验测试平台如图1(d)所示。同时，在动态冲击试验测试基础上，利用有限元软件ABAQUS建立冲击载荷作用下周期性层状管结构中瞬态应力波传播有限元数值模型如图2所示。数值模型中入射杆、试件、透射杆尺寸及边界条件按实验情况设定，入射杆和透射杆的长度均为2m，试件总长0．14m，撞击杆、入射杆和透射杆均为铝合金材质，其弹性模量E=70GPa，密度ρ=2700kg/m3，泊松比μ=0．35。入射杆、试件以及透射杆均能沿轴向移动或绕轴转动，以试验测得的入射应力波作为输入条件加载到入射杆端面，试件与入射杆和透射杆定义面面自动接触，单个试件之间采用绑定连接。由于计算模型形状规整，采用六面体网格(Hex)对模型进行划分，单元类型均为C3D8Ｒ，并对周期性层状管结构进行网格细化，最终模型共87104个单元，其中试件的单元数量为44900个，求解器采用动态显示求解，数值计算所选测点与试验测点相同，分别位于入射杆和透射杆中间。图2瞬态应力波有限元数值计算模型Fig．2Numericalmodelofstresswavepropagation周期性层状管结构动态冲击试验与有限元数值模型得到入射应力波、透射应力波结果如图3所示。从图中可以看到，由SHPB装置产生的入射应力波近似为矩形脉冲，当入射应力波经过周期性层状管
期性层状管结构的应力波衰减特性和抗冲击性能。图3冲击应力波衰减特性Fig．3Impactstresswaveattenuationcharacteristics2周期性层状管结构中应力波衰减机理为了进一步深入揭示周期性层状管结构中应力波衰减机理，本节基于固体晶格能带理论，研究周期性层状管结构的带隙特性，阐明能带结构与应力波频谱衰减区域的对应关系。为了研究层状周期管结构的禁带特性，建立由钢和环氧树脂组成的层状周期管结构的原胞模型如图4所示。选取结构参数如下:晶格常数a=40mm，其中钢管和环氧树脂管长分别为a1=a2=20mm，管外径D=30mm，管壁厚t=5mm。图4周期性层状管结构的原胞模型Fig．4Unitcellofperiodiclayeredtubes基于固体晶格能带理论，一维周期性层状管结构晶格具有周期性和点群对称性。通过在原胞模型左右两端施加周期性，并沿着波矢方向进行参数扫描，求解各个波矢下结构的本征模式和本征频率，得到周期性层状管结构的能带结构［13-14］如图5所示。从图中可以看到，周期性层状管结构能带结构在0～25kHz频率范围内共有七条能带，形成了两个完全禁带(图5填充区域)。第一禁带位于第四条能带和第五条能带之间，禁带范围为12．5～17．5kHz，第二禁带位于第五条能带和第六条能带之间，禁带范围为18～22．5kHz。为了研究应力波衰减的频域特性，对入射和透射应力波时间历程曲线进行傅里叶变换得到应力波频谱图如图6所示。由图可以发现，周期性层状管结构的透射应力波在12kHz到25kHz范围内相对于入射应图5周期性层状管结构的带隙特性Fig．5Bandstructuresofperiodiclayeredtubes力波具有明显的衰减，频谱衰减区间正好对应于周期性层状
【参考文献】：
期刊论文
[1]泡沫填充多边形单锥管与双锥管斜向加载下耐撞性分析[J]. 陈亚枫,白中浩. 振动与冲击. 2017(06)
[2]椭圆形泡沫填充薄壁管斜向冲击吸能特性仿真研究[J]. 高强,王良模,王源隆,王陶,郭福祥,张遵智. 振动与冲击. 2017(02)
[3]泡沫铝填充多棱管的吸能分析[J]. 程涛,向宇,李健,余玲. 振动与冲击. 2011(09)
[4]复合材料/铝复合管轴向准静态及冲击压溃的吸能特性[J]. 袁潘,杨智春. 振动与冲击. 2010(08)
[5]泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器吸能特性的试验研究[J]. 罗昌杰,刘荣强,邓宗全,王闯,李萌. 振动与冲击. 2009(10)
本文编号：3568531
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3568531.html
