双三角点阵夹芯结构低速冲击下的动态响应与失效机制

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20240328.004

复合材料科学与工程 ›› 2024, Vol. 0 ›› Issue (3): 25-34.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240328.004

双三角点阵夹芯结构低速冲击下的动态响应与失效机制

杨思鑫, 曹忠亮^*, 顾付伟

江苏理工学院机械工程学院,常州 213001

收稿日期:2023-02-27 出版日期:2024-03-28 发布日期:2024-04-22
通讯作者: 曹忠亮(1983—),男,博士,副教授,研究生导师,研究方向为复合材料夹芯板设计、铺放成型工艺等,caoliang-8302@163.com。
作者简介:杨思鑫(1997—),男,硕士研究生,研究方向为复合材料夹芯结构力学性能。
基金资助:
江苏理工学院研究生实践创新计划(XSJCX22_25);江苏省高等学校自然科学研究重大项目(21KJA460004)

Dynamic response and failure mechanism of double triangular truss core sandwich structure under low velocity impact

YANG Sixin, CAO Zhongliang^*, GU Fuwei

School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China

Received:2023-02-27 Online:2024-03-28 Published:2024-04-22

摘要/Abstract

摘要： 采用非线性有限元仿真方法研究双三角点阵夹芯结构抗冲击性能,使用直径为16 mm的半球形冲击器以不同的冲击能量分别对夹芯板的节点和基底位置进行冲击,研究了点阵夹芯板的失效机理和动态响应,以及各个变量对夹芯板的抗冲击性能的影响规律。结果表明:双三角点阵夹芯结构的主要失效形式为面板的基体拉伸破裂;芯子的失效形式受自身结构和受力方式影响,主要为脆性坍塌断裂和塑性变形。载荷-时间曲线表明,冲头能量与冲击位置对夹芯板的损伤失效行为有着显著的影响。相同冲击能量下,与基底冲击相比,夹芯板在节点冲击时的损伤程度及载荷峰值都更优,抗冲击性能更加优异;高冲击能量下,节点冲击的吸能效果更优,但二者载荷变化趋势却越来越相似。

关键词: 点阵夹芯结构, 有限元仿真, 抗冲击性能, 失效机制, 动态响应, 复合材料

Abstract: A nonlinear finite element simulation method was used to study the impact resistance of the double triangular truss core sandwich structure. A hemispherical impactor with a diameter of 16 mm was used to impact the nodes and substrate positions of the sandwich panel with different impact energies to study the failure mechanism and dynamic response of the truss core sandwich panel, as well as the influence law of each variable on the impact resistance of the sandwich panel. The results show that the main failure form of the double triangular truss core sandwich structure is the tensile rupture of the substrate of the panel, while the failure form of the core is influenced by its own structure and force mode, presenting mainly in the form of brittle collapse fracture and plastic deformation. The load-time curves show that the punch energy and impact location have a significant influence on the damage failure behavior of the sandwich panel. Under the same impact energy, the damage degree and load peak of sandwich panel at nodal impact are better than that of basal impact, and the impact resistance is more excellent; the energy absorption effect of nodal impact under high impact energy is better than that of basal impact, but the load change trend is increasingly similar.

Key words: nodal sandwich structure, finite element simulation, impact resistance, failure mechanism, dynamic response, composites

中图分类号:

TB332

杨思鑫, 曹忠亮, 顾付伟. 双三角点阵夹芯结构低速冲击下的动态响应与失效机制[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 25-34.

YANG Sixin, CAO Zhongliang, GU Fuwei. Dynamic response and failure mechanism of double triangular truss core sandwich structure under low velocity impact[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2024, 0(3): 25-34.

参考文献

[1] 朱子旭, 朱锡, 李永清, 等. 复合材料夹芯结构研究现状及其在船舶工程的应用[J]. 舰船科学技术, 2018, 40(3): 1-7.
[2] LU T, ZHANG Q, JIN F. Recent progress in the development of lightweight porous materials and structures[J]. Materials China, 2012, 31(1): 14-35.
[3] 马铭泽, 姚卫星, 陈炎. 蜂窝夹芯板疲劳研究进展[J]. 航空工程进展, 2019, 10(2): 154-162.
[4] 邓云飞, 曾宪智, 周翔, 等. 复合材料褶皱夹芯结构研究进展[J]. 复合材料学报, 2020, 37(12): 2966-2983.
[5] 杨冬霞, 范长胜, 丁宝荣, 等. 轻型木质基互锁格栅夹芯胞元结构的力学性能[J]. 森林工程, 2023, 39(1): 92-100.
[6] 唐玉玲, 韩露, 张峻霞, 等. 曲面碳纤维增强树脂复合材料点阵夹芯结构的弯曲和振动特性[J]. 复合材料学报, 2023, 40(6): 3651-3661.
[7] 薛普, 秦绪国, 苏伟, 等. 局部冲击下复合材料蜂窝夹芯结构的失效行为与吸能机理[J]. 导弹与航天运载技术(中英文), 2022(5): 126-131.
[8] FENG Z, LUO Z, XIANG J. Structural bionic design for thin-walled energy absorber tube and parametric analysis[C]//58th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. 2017: 1358.
[9] 易建坤, 马翰宇, 朱建生, 等. 点阵金属夹芯结构抗爆炸冲击问题研究的综述[J]. 兵器材料科学与工程, 2014, 37(2): 116-120.
[10] 程树良, 吴灵杰, 孙帅, 等. X型点阵夹芯结构受局部冲击时动态力学性能试验与数值模拟[J]. 复合材料学报, 2022, 39(7): 3641-3651.
[11] 郑华勇, 吴林志, 马力, 等. Kagome 点阵夹芯板的抗冲击性能研究[J]. 工程力学, 2007, 24(8): 86-92.
[12] 韩笑, 杨丽红, 于国财, 等. 多层梯度点阵夹芯结构抗爆性能研究[J]. 应用力学学报, 2018, 35(1): 185-190.
[13] FLECK N A, DESHPANDE V S. The resistance of clamped sandwich beams to shock loading[J]. Journal of Applied Mechanics, 2004, 71(3): 386-401.
[14] 郭怡东, 马玉娥, 李佩谣. 增材制造钛合金微桁架夹芯板低速冲击响应[J]. 航空学报, 2021, 42(2): 376-386.
[15] 杨辉, 尹冠生, 李轩, 等. 金属点阵格栅三明治结构低速冲击响应分析[J]. 塑性工程学报, 2018, 25(4): 245-253.
[16] HU J, LIU A, ZHU S, et al. Novel panel-core connection process and impact behaviors of CF/PEEK thermoplastic composite sandwich structures with truss cores[J]. Composite Structures, 2020, 251:112659.
[17] HUANG W, FAN Z, ZHANG W, et al. Impulsive response of composite sandwich structure with tetrahedral truss core[J]. Composites Science and Technology, 2019, 176: 17-28.
[18] LIU J, ZHU X, LI T, et al. Experimental study on the low velocity impact responses of all-composite pyramidal truss core sandwich panel after high temperature exposure[J]. Composite Structures, 2014, 116: 670-681.
[19] 郭锐, 南博华, 周昊, 等. 点阵金属夹层结构抗侵彻实验研究[J]. 振动与冲击, 2016, 35(24): 45-50.
[20] 郭锐, 周昊, 刘荣忠, 等. 陶瓷棒填充点阵金属夹层结构的制备及抗侵彻实验[J]. 复合材料学报, 2016, 33(4): 921-928.
[21] 曹忠亮, 朱昊, 董明军, 等. 十字嵌锁型格栅夹芯结构设计及低速冲击性能[J]. 复合材料学报, 2023, 40(2): 1190-1207.
[22] HASHIN Z. Fatigue failure criteria for unidirectional fiber composites[J]. Journal of Applied Mechanics, 1980, 47(4): 329-334.
[23] SHI Y, PINNA C, SOUTIS C. Modelling impact damage in composite laminates: A simulation of intra-and inter-laminar cracking[J]. Composite Structures, 2014, 114: 10-19.
[24] RUSSELL B P, LIU T, FLECK N A, et al. The soft impact of composite sandwich beams with a square-honeycomb core[J]. International Journal of Impact Engineering, 2012, 48: 65-81.
[25] 胡婕. PEEK及碳纤维增强PEEK的性能研究[D]. 上海: 东华大学, 2010.

双三角点阵夹芯结构低速冲击下的动态响应与失效机制

Dynamic response and failure mechanism of double triangular truss core sandwich structure under low velocity impact

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	王孟, 刘程, 张玉, 贾航, 乔越, 蹇锡高. 成型温度对CF/PPEK复合材料的缺陷和力学性能影响[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 5-12.
[2]	史洪源, 任文坚, 党杰, 周鹏. 玻璃纤维增强复合材料超声检测声场的CIVA仿真与试验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 20-24.
[3]	张斌, 赵晶, 王世杰. Kagome点阵结构参数对其压缩特性的影响及轻质化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 35-42.
[4]	王宇轩, 曹东风, 胡海晓, 李书欣. 计及层内和层间的L形层合板失效的数值研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 43-53.
[5]	耿健, 董九志, 梅宝龙, 蒋秀明. 三维四向碳/碳复合材料力学性能预测与试验验证[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 54-60.
[6]	高坤, 张兆恒, 邢亚娟, 左小彪, 王博尧, 赵泽华. 含磷POSS阻燃乙烯基酯树脂性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 61-64.
[7]	郑子君, 乔英, 邵家儒. 基于机器视觉的短纤维复合材料的取向度提取方法[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 65-72.
[8]	许晓婷, 郝恩全, 邵慧奇, 邵光伟, 毕思伊, 陈南梁, 蒋金华. 三维大隔距机织间隔织物柔性复合材料的服役性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 73-78.
[9]	苏桐, 胡果馨, 刘振. 全碳纤维复合材料太阳能无人机机翼结构优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 79-83.
[10]	伍强, 赵凯, 刘鹏飞, 张涛涛, 朱德勇. Z形纤维增强复合材料层压板固化变形分析[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 84-90.
[11]	宋贵宾, 黄光启, 杨胜春. 复合材料层压板胶接挖补修理分析方法及影响因素研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 91-96.
[12]	王耀, 邵丹丹, 雷炳育. 共沉淀析出-热压技术制备高储能性能复合材料薄膜[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 97-102.
[13]	张仲香, 刘宝锋, 方晨鑫, 陈文光, 顾育慧, 李军向. 沙戈荒环境下风电叶片中复合材料耐高温性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 103-107.
[14]	邓忠, 支亚非, 程家林, 杨文. 太阳能无人机机翼复合材料主梁铺层优化[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 108-112.
[15]	彭公秋, 白钰, 钟翔屿, 张连旺, 包建文, 曹正华. 干纤维自动铺放液体成型复合材料技术的研究进展[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 113-120.