梯度点阵圆柱壳结构设计及动态压溃性能研究

摘要

点阵圆柱壳结构以其轻质高强等特性广泛应用于航空航天等领域。近年来，随着轻量化吸能装置的迫切需求，点阵圆柱壳结构作为一种潜在的吸能构件引起了学者们的广泛关注。迄今为止，关于点阵圆柱壳结构静态力学性能的研究已经较为完善，然而有关它的动态变形和失效机制理解还不清晰，将梯度设计思想引入点阵圆柱壳结构的研究还未见报道。本文针对梯度点阵圆柱壳及夹芯圆柱壳结构在动态压溃下的力学性能从理论分析、数值模拟和实验验证等方面进行了系统研究。主要进行了以下几个方面的工作： 首先，充分利用3D打印方法制备复杂微结构的优势，设计制备了ABS全三角点阵圆柱壳及夹芯圆柱壳结构。通过轴向压缩实验研究了其承载能力和吸能特性，观察到多种典型失效模式。研究表明，点阵夹芯圆柱壳结构的比吸能远高于点阵圆柱壳结构，蒙皮对芯层的约束作用能有效提高结构的承载能力和吸能性。此外，采用有限元软件 ABAQUS 对点阵圆柱壳结构的轴压过程进行了数值仿真，有限元模拟结果与实验结果吻合较好。 其次，基于一维波理论，建立了拉伸主导型（全三角）和弯曲主导型（六边形）两种典型点阵圆柱壳的动态压溃平台应力预测模型，理论预测与有限元模拟结果吻合较好。进一步考虑了冲击速度和相对密度对其动态压溃性能的影响，揭示了其压溃变形机制。在此基础之上，研究了梯度大小和排列形式对点阵圆柱壳归一化塑性耗散能的影响，发现在低速冲击下引入正梯度能有效提高结构的前期吸能。 然后，以点阵圆柱壳作为芯层，附加内外蒙皮约束建立了点阵夹芯圆柱壳分析模型。通过数值模拟研究了芯层相对密度对动态压溃下点阵夹芯圆柱壳变形模式和比吸能的影响。结果表明结构的胞壁与蒙皮厚度的比值是影响变形模式和比吸能的主要因素。引入梯度对夹芯结构的比吸能无明显影响，但引入负梯度能有效降低六边形点阵夹芯圆柱壳的峰值力。 最后，提出了一种负泊松比（内凹六边形）点阵圆柱壳模型，完成了轴向静压实验，并通过数值模拟研究了其在不同压溃速度下的变形模式和平台应力。将正、负泊松比相结合，设计了一种零泊松比点阵（SILICOMB）圆柱壳和点阵夹芯圆柱壳结构。采用数值模拟研究发现，SILICOMB 圆柱壳在高速压溃下的平台应力优于六边形点阵圆柱壳，SILICOMB夹芯圆柱壳在芯层相对密度大于4%时，比吸能介于全三角和六边形点阵圆柱壳之间。

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