多層緩沖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和沖擊響應(yīng)分析方法及應(yīng)用.pdf

1、泡沫和蜂窩等材料具有質(zhì)輕、吸能優(yōu)良的特點(diǎn)，作為緩沖材料或結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、頭盔等結(jié)構(gòu)中。采用不同的緩沖材料通過疊合組成的多層緩沖結(jié)構(gòu)，可滿足不同緩沖要求，為吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了新的選擇。由壓縮試驗雖不難得到多層緩沖結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，但工程中層合配置方案有很多種，再加上緩沖材料所呈現(xiàn)的強(qiáng)非線性的力學(xué)特點(diǎn)，若僅用試驗測試手段有時很難總結(jié)出規(guī)律，這時需要理論和數(shù)值的方法為設(shè)計理論依據(jù)。本文對幾種層狀緩沖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和沖擊

2、響應(yīng)進(jìn)行虛擬參數(shù)分析或有限元計算:
　　(1)給出了一種求解層狀緩沖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮問題的虛擬參數(shù)法。在試驗得到單層緩沖材料本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，對多層緩沖結(jié)構(gòu)在界面處引入虛擬質(zhì)量或阻尼，使求解多層緩沖結(jié)構(gòu)的非線性代數(shù)方程組轉(zhuǎn)化為常微分方程組，運(yùn)用Runge-Kutta法，可求解多層緩沖結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。當(dāng)虛擬質(zhì)量趨于0時，所派生出來的振動頻率趨于無窮大，其對應(yīng)的振動幅值趨于0;當(dāng)阻尼趨于0時，衰減指數(shù)趨向無窮大，所派生的振動幅值亦趨于0，因

3、此選擇合適的質(zhì)量與阻尼，對多層緩沖結(jié)構(gòu)的響應(yīng)影響較小。
　　(2)對于多層泡沫緩沖結(jié)構(gòu)的沖擊動態(tài)響應(yīng)問題，通過引入虛擬質(zhì)量，將相應(yīng)的微分-代數(shù)方程組轉(zhuǎn)化為常微分方程組進(jìn)行求解。同樣，當(dāng)質(zhì)量趨于0，其派生出的頻率趨于無窮大，對應(yīng)的振動幅值趨于0。把虛擬質(zhì)量方法推廣到層狀泡沫緩沖作用下的簡支梁彈性結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)，數(shù)值結(jié)果表明:當(dāng)虛擬質(zhì)量小于一定的值時，簡支梁的位移與應(yīng)力隨虛擬質(zhì)量的變化幅度很小。
　　(3)瓦楞結(jié)構(gòu)受壓時，由于芯

4、層屈曲，在壓實(shí)前其名義應(yīng)力會隨應(yīng)變的增加而減小，因此，瓦楞紙板組成的多層緩沖結(jié)構(gòu)的受壓響應(yīng)問題是一個強(qiáng)非線性問題。采用虛擬質(zhì)量和虛擬阻尼方法求解，引入的虛擬慣性力和阻尼力，相當(dāng)于缺陷或擾動，使多層瓦楞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)逐層屈曲現(xiàn)象，得到的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)數(shù)等于瓦楞的層數(shù)，這與試驗結(jié)果吻合。
　　(4)對于EPS泡沫材料，通過考慮密度和壓縮應(yīng)變率的影響，擬合得到其本構(gòu)方程;對于蜂窩材料，在經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上，給出了相應(yīng)具體的本構(gòu)關(guān)系。

5、在此基礎(chǔ)上，建立了蜂窩-泡沫疊層復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)的單軸沖擊模型，并用虛擬質(zhì)量方法求解和優(yōu)化分析，得到滿足約束條件的優(yōu)化結(jié)構(gòu);建立了頭部模型-泡沫-鋁蜂窩系統(tǒng)沖擊有限元模型，以EPS的密度、厚度，以及蜂窩胞元的邊長和厚度為設(shè)計變量，以比吸收能量為優(yōu)化目標(biāo)，對緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析和設(shè)計。結(jié)果表明泡沫-蜂窩復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)具有較好的吸收能量的能力。
　　當(dāng)選取適當(dāng)?shù)奶摂M參數(shù)時，虛擬參數(shù)對多層緩沖結(jié)構(gòu)的單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和沖擊響應(yīng)影響較小，運(yùn)用Run