两种二级铝蜂窝结构缓冲吸能特性研究
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蜂窝铝和太空铝全文共四篇示例,供读者参考第一篇示例:蜂窝铝和太空铝是两种常见的金属材料,它们在工业领域中被广泛应用,具有许多相似之处,但又有各自的特点。
本文将就这两种金属材料的特性、制作工艺、应用领域等方面进行详细介绍。
让我们先来了解一下蜂窝铝。
蜂窝铝是一种具有孔隙结构的铝合金材料,这种特殊的结构使其具有较轻的重量和较高的强度。
蜂窝铝的表面呈现出一种类似蜂窝的几何图案,这种设计不仅美观大方,还能够增加材料的表面积,提高了其散热性能。
蜂窝铝的制作工艺主要包括原料选择、材料加工、成型、表面处理等步骤,通过这些工艺的精细处理,可以获得质量优良的蜂窝铝制品。
蜂窝铝的应用领域非常广泛,主要包括航空航天领域、汽车制造、建筑装饰、电子产品等。
由于其轻量化和高强度的特性,蜂窝铝在航空航天领域中被广泛应用于制作飞机结构、导流板等部件,能够有效减轻飞行器的自重,提高燃油利用率。
在汽车制造领域,蜂窝铝可以用于制作车身结构、悬挂系统等零部件,能够提高汽车的安全性和节能性。
蜂窝铝还可以应用于建筑装饰领域,制作各种装饰板材、墙体装饰材料等,具有很好的防火、防腐蚀等特性。
接下来,让我们来介绍一下太空铝。
太空铝是一种轻质、高强度的金属材料,通常由铝合金制成。
太空铝的表面光滑、坚固,具有很好的耐腐蚀性和导热性,适用于各种高端领域的应用。
太空铝的制作工艺类似于蜂窝铝,需要经过多道工序的加工和表面处理,以保证其质量和性能。
太空铝的应用领域主要集中在航空航天、卫星通信、光学仪器等领域。
在航空航天领域,太空铝被广泛应用于制作航天器的结构、机械零部件等,能够满足宇航员生存的各种需求。
在卫星通信领域,太空铝可以用于制作卫星外壳、信号接收器等,保证卫星的稳定性和长期使用寿命。
在光学仪器领域,太空铝可以用于制作反射镜、望远镜支架等,提高光学仪器的精度和稳定性。
蜂窝铝和太空铝是两种重要的金属材料,在工业领域中发挥着重要作用。
它们的独特性能和广泛应用领域,为各行业的发展提供了有力支持,也为我们的生活带来了许多便利。
蜂窝结构的压缩性能研究蜂窝结构是一种由许多六边形或其他多边形构成的空心结构,常见于工程领域中的材料和结构设计。
蜂窝结构具有轻质、高强度、刚性好等特点,因此在航空航天、汽车制造和建筑领域得到了广泛的应用。
本文旨在探究蜂窝结构的压缩性能,并提出有效的改进方案。
一、蜂窝结构的力学性能蜂窝结构的力学性能主要表现为承载能力和能量吸收能力。
承载能力是指结构在压缩负荷下的稳定性和强度,而能量吸收能力则是指结构在受到冲击或挤压时能够吸收和耗散能量的能力。
1. 承载能力蜂窝结构由一系列蜂窝单元构成,每个蜂窝单元相互连接形成整体结构。
蜂窝单元的形状和尺寸对结构的承载能力有着重要影响。
一般来说,蜂窝单元的边长越小、壁厚越大,则结构的强度越高。
此外,采用高强度的材料或增加蜂窝结构的层数也可以提高结构的承载能力。
2. 能量吸收能力蜂窝结构的能量吸收能力是通过结构中的屈曲、变形和破坏来实现的。
蜂窝结构具有多边形单元之间的连接关系,这种连接方式使得结构在受到外力时能够发生塑性变形,并吸收能量。
因此,蜂窝结构通常具有较好的能量吸收能力和抗冲击性能。
二、蜂窝结构的改进方案尽管蜂窝结构具有优秀的力学性能,但仍然存在一些问题,如承载能力不足、稳定性差等。
为了提高蜂窝结构的性能,可以采用以下改进方案:1. 材料优化选择高强度、低密度的材料是提高蜂窝结构性能的关键。
例如,采用高强度铝合金材料替代传统的钢材,可以在不增加重量的情况下提高结构的强度和稳定性。
2. 结构设计优化在蜂窝结构的设计中,需要考虑单元形状、尺寸和连接方式等因素。
合理设计蜂窝单元的形状和尺寸,以及优化连接方式,可以提高结构的承载能力和能量吸收能力。
3. 多层结构设计通过增加蜂窝结构的层数,可以进一步提高结构的强度和稳定性。
多层结构可以增加结构的抗压性能,适用于一些对高强度和刚性要求较高的应用场景。
三、应用前景与展望蜂窝结构由于其轻质、高强度和良好的能量吸收能力,在各个领域都有广阔的应用前景。
18mm蜂窝铝板组成部分概述及解释说明1. 引言1.1 概述18mm蜂窝铝板作为一种轻质高强度的构造材料,在建筑、交通工具、航空航天等领域得到了广泛应用。
其独特的蜂窝结构使其具备优异的抗压能力和刚性,同时保持了轻量化的特点。
本文将对18mm蜂窝铝板的组成部分进行全面概述和解释说明,探讨其结构、制造工艺以及各个组成部分的功能和重要性。
1.2 文章结构本文共分为五个章节:引言、18mm蜂窝铝板组成部分概述、18mm蜂窝铝板组成部分解释说明、温度影响对18mm蜂窝铝板组成部分的影响分析以及结论。
在引言部分,我们将简要介绍文章的内容和目标;在概述部分,将详细介绍18mm蜂窝铝板的材料介绍、组成部分分类和制造工艺;在解释说明部分,将详细论述窗格结构与功能、铝合金面板的优势和应用范围以及蜂窝铝层与填充物的作用与重要性;在温度影响分析部分,将探讨高温和低温环境下18mm蜂窝铝板组成部分的变化和特点,并评估温度对材料性能和稳定性的影响;最后,在结论部分,我们将总结文章的主要观点和要点,并对未来研究和发展方向进行展望。
1.3 目的本文旨在全面了解18mm蜂窝铝板的组成部分、其各个部分的功能和作用,以及温度对其影响的相关因素。
通过深入探讨18mm蜂窝铝板的组成与制造方法,有助于我们更好地理解和应用这一材料,并为今后的研究提供参考。
同时,通过对温度影响的分析,可以更好地了解该材料在不同环境下的表现与适应性。
2. 18mm蜂窝铝板组成部分概述2.1 材料介绍18mm蜂窝铝板是一种由两层铝合金面板之间夹层的蜂窝结构填充物所组成的复合材料。
其外层面板通常采用高强度、耐腐蚀、轻质的铝合金材料,内层则为一个密集且均匀分布的蜂窝状结构。
这种材料具有高强度、刚性好、重量轻和优异的抗压性能。
2.2 组成部分分类18mm蜂窝铝板主要包括外层铝合金面板和内部填充物两个组成部分。
外层面板通常是由具有良好机械性能和较高强度的铝合金制成,如AA3003或AA5052等。
铝蜂窝芯的作用简介铝蜂窝芯是一种轻质、高强度的材料,通常由两层薄铝板之间填充着呈蜂窝状的铝蜂窝结构组成。
它具有很多出色的特性,广泛应用于航空航天、建筑、交通运输等领域。
本文将深入探讨铝蜂窝芯的作用及其在不同领域的应用。
铝蜂窝芯的特性铝蜂窝芯具有以下几个显著的特性: 1. 轻质高强:铝蜂窝芯的重量轻,密度低,同时具有较高的强度和刚度。
2. 耐腐蚀:铝蜂窝芯具有良好的耐腐蚀性能,不易受湿气、酸碱等腐蚀介质的侵蚀。
3. 隔热隔音:铝蜂窝芯内部的蜂窝结构具有良好的隔热和隔音效果,能有效降低噪音和热量传递。
4. 吸能减震:铝蜂窝芯具有较好的吸能和减震性能,在碰撞和冲击载荷作用下能够吸收能量,减小冲击力。
5. 可加工性好:铝蜂窝芯易于切割、冲压、焊接等加工,形状可根据需要进行定制。
铝蜂窝芯在航空航天领域的应用航空器外壳铝蜂窝芯作为轻质材料,被广泛应用于航空器的外壳结构中。
通过使用铝蜂窝芯填充铝板构成外壳,可以实现较高的强度和刚性,同时降低整体重量,提高燃油效率。
此外,铝蜂窝芯的吸能减震特性也能够提供额外的保护,减小事故对航空器和乘客的损害。
内部隔舱墙板航空器内部需要隔离不同区域的舱壁通常采用铝蜂窝芯制成的隔舱墙板。
这种结构在保证轻量化的同时,能够有效隔离噪音和温度,并提供良好的阻燃性能和抗冲击性能,确保乘客舒适和安全。
铝蜂窝芯广泛应用于飞机机舱地板的制造。
其轻质高强的特点使得飞机的整体重量得以降低,同时能够承受较大的载荷。
此外,铝蜂窝芯的隔热和隔音效果也能够提升乘客的舒适度。
铝蜂窝芯在建筑领域的应用墙面装饰材料铝蜂窝芯作为一种新型的建筑装饰材料,广泛应用于墙面装饰。
其独特的蜂窝结构和金属光泽,赋予墙面独特的外观效果,并具有防火、耐候、维护简便等优点。
同时,铝蜂窝芯的隔热性能也可以提高建筑物的能效。
屋面板材在建筑物的屋面设计中,铝蜂窝芯常被用作屋面板材。
铝蜂窝芯的轻质性能能够减轻建筑物的自重,同时具备较好的抗风压性能。
Material Sciences 材料科学, 2014, 4, 96-102Published Online May 2014 in Hans. /journal/ms/10.12677/ms.2014.43015A Study on Dynamic CompressiveMechanical Behaviors of AluminumHoneycombsShuang Tang1,2, Yunlai Deng1,2, Keda Jiang2, Chenqi Lei2, Zhao Yang21School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha2Key Laboratory of Nonferrous Materials Science and Engineering, Ministry of Education,Central South University, ChangshaEmail: tangshuang1998@, luckdeng@Received: Mar. 6th, 2014; revised: Apr. 2nd, 2014; accepted: Apr. 11th, 2014Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractSplit Hopkinson Pressure Bar (SHPB) method was employed to determine the compressive dy-namic mechanical properties of three kinds of honeycombs, which were made of Al alloy 5052H18 with side lengths (b) of 1.0 - 1.83 mm, foil thicknesses (t) of 0.04 - 0.06 mm and relative densities (ρ) of 0.05 - 0.06. Results indicated that: at high strain rate, the dynamic stress-strain curves of the Al honeycombs show a general "three-stage" characteristic of porous materials. The densification strains are greater than 65%. The specific range of energy absorption is 3.32 - 5.03 MJ/m3, and the range of the maximum values of energy absorption efficiency is 0.65 - 0.7. Even though only the yield stress of the Al honeycomb with the shortest side length (1 mm) is greater than itself plateau stress, all the tested Al honeycombs have the character of strain rate sensitivity. The specific energy absorption and the energy absorption efficiency have no significant difference between the two Al honeycombs with the same ratio of side lengths/foil thickness (1.0 mm/0.04 mm, 1.5 mm/0.06 mm).KeywordsAluminum Honeycomb, Dynamic Mechanical Properties, Energy Absorption, SHPB铝蜂窝材料动态压缩力学性能及吸能分析唐爽1,2,邓运来1,2,姜科达2,雷郴祁2,杨昭21中南大学材料科学与工程学院,长沙2中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,长沙Email: tangshuang1998@, luckdeng@收稿日期:2014年3月6日;修回日期:2014年4月2日;录用日期:2014年4月11日摘要采用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术,研究了边长为1.0~1.83 mm,箔厚度为0.04~0.06 mm,相对密度为0.05~0.06的三种5052 H18铝合金蜂窝的动态压缩行为。
3D打印蜂窝结构的抗压吸能性能研究作者:邱月王俊成侯宇翔陈嘉龙安栋来源:《无线互联科技》2019年第18期摘 ; 要:蜂窝结构是理想的轻质结构,其抗压、抗冲能力和吸能性能较好。
文章以圆形、六边形为例,采用3D打印技术制备蜂窝结构,通过单轴压缩实验研究了组合蜂窝的抗压、抗冲能力和吸能性能。
关键词:3D打印;蜂窝结构;吸能蜂窝结构孔隙多、相对密度小,是理想的轻质结构。
由于它的强度、刚度与变形能力较优秀,常被作为吸能减震构件。
蜂窝的结构和组合对其抗压、抗冲能力和吸能性能是研究的热点。
由于蜂窝结构相对简单、可以复制相同部分构成、大小形状均可控,在飞行器、汽车、矿业等领域均有大量应用。
王博等[1]开展了Kagome、正三角形和菱形蜂窝结构的面内准静态压缩力学行为实验研究,研究结果表明,蜂窝形状的改变和周期性排布会对整体变形模式及能量吸收性能产生较大的影响。
鄂玉萍等[2]建立蜂窝纸板的能量吸收理论预报模型,构建缓冲材料吸能特性表征方法。
王志伟等[3]应用试验方法和有限元技术研究和分析蜂窝纸板的动态冲击压缩过程,研究了蜂窝纸板的冲击承载能力和能量吸收能力。
3D打印(3D Printing)也叫增材制造(Additive Manufacturing),是一种全新的制造技术[4],该技术在成形原理上采用了层层叠加的方式,加工工艺不受实体原形复杂程度的影响[5],可以实现具有复杂外轮廓形状的熔积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)。
本文以六边形、圆形、半圆形为例,采用3D打印技术制备了3种蜂窝结构,通过组合、剪切、融合对比研究了不同形状组合蜂窝的抗压、抗冲能力和吸能性能。
1 ; ;蜂窝结构模型1.1 ;模型建立以六边形、圆形、半圆形为例,建立蜂窝结构,构件平面尺寸为186 mm×162 mm,壁厚2 mm,六边形边长20 mm,如图1所示。
圆形半径22 mm。
通过组合、剪切、融合建立了不同形状的组合蜂窝。
2020年第38卷12月增刊西北工业大学学报JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityDec.Vol.382020Supplement收稿日期:2020⁃09⁃01基金项目:南京航空航天大学青年科技创新基金(NS2018052)资助作者简介:陈金宝(1980 ),南京航空航天大学教授,主要从事航天器结构与机构设计㊁航天器着陆缓冲机构设计研究㊂通信作者:贾山(1983 ),南京航空航天大学讲师,主要从事着陆缓冲系统与航天器结构研究㊂e⁃mail:jiashanazz@nuaa.edu.cn新型多级铝蜂窝缓冲器的缓冲性能研究与分析陈金宝1,2,3,钱佳程1,贾山1,2,3,周金华1,徐雅男11.南京航空航天大学航天学院,江苏南京㊀210016;2.航天进入减速与着陆技术实验室,江苏南京㊀210016;3.深空星表探测机构技术工信部重点实验室,江苏南京㊀210016æèçöø÷摘㊀要:为提升行星探测器着陆缓冲过程的安全性与稳定性,提出了一种新型结构的多级铝蜂窝缓冲器,该缓冲器属于双向拉压缓冲器,具有结构简单㊁可靠性强㊁通用化程度高等特点㊂通过Ansys/Ls⁃dyna对3种材料的三级铝蜂窝缓冲进行冲击仿真实验,并与传统的2种材料的三级铝蜂窝进行对比,其结果表明在一级铝蜂窝压缩完成后,冲击平台反向加速度峰值明显降低,且加速度变化曲线较为顺滑,有利于提高行星探测器着陆过程中整体安全特性㊂在此基础之上,考虑到实际结构工程应用,对3种材料的三级铝蜂窝进行旋转正交组合实验,选取一种最具有合理性的搭配方案㊂将该搭配方案应用于新构型的整机环境中利用Adams进行冲击仿真,并与传统悬臂式着陆器的仿真结果进行对比分析以验证其缓冲性能㊂关㊀键㊀词:着陆缓冲;缓冲器;多级铝蜂窝;反向加速度;整机仿真中图分类号:V476.3㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1000⁃2758(2020)S0⁃0001⁃06㊀㊀缓冲器作为行星探测器着陆过程中最重要的吸能装置,承担着吸收大部分冲击动能以及保护行星探测器的本体结构和有效载荷不受到冲击破坏的任务㊂铝蜂窝作为缓冲器的重要组成部分,利用其结构变形来实现吸收冲击动能的目的[1⁃5]㊂铝蜂窝是一种多孔固体材料,具有密度低㊁压溃强度弱㊁压缩变形大且空间适应性强等优点㊂在许多工程领域,特别是航天工程领域得到了广泛的应用,例如阿波罗11号月球探测器㊁嫦娥三号㊁嫦娥四号月球探测器㊂因此铝蜂窝缓冲性能的优化对行星探测器具有重要意义,国内国防科技大学李翔城等[6]对组合式铝蜂窝缓冲结构进行了研究,为缓冲吸能结构的优化设计提供新的选择方式㊂文献[7]对2种材料的铝蜂窝进行了多级搭配仿真,研究得出三级铝蜂窝具有最优良的缓冲吸能特性㊂本文首先以新型多级蜂窝缓冲器作为研究对象,在此构型的基础上进行了3种材料的三级铝蜂窝的仿真实验,并与文献[7]中的2种材料的三级铝蜂窝的搭配仿真结果进行分析对比;其次将三级铝蜂窝进行旋转正交组合仿真实验,进而对多级铝蜂窝缓冲器进行优化设计,为实际应用提供一种可行性方案㊂并将这种可行性方案应用到一定质量的新构型着陆器本体上做多种工况下的仿真分析,与传统悬臂梁式的探月着陆器做相应的对比分析以验证缓冲性能,为后续工程实施提供技术支撑㊂1 新型缓冲器的基本构型与原理缓冲器的设计由两块核心内容组成:缓冲设计和强度设计[8]㊂在缓冲设计部分,铝蜂窝具有密度低㊁压溃强度弱㊁压缩变形大且空间适应性强等优点㊂图1㊀双向拉压多级蜂窝缓冲器西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第38卷如图1所示,为一种新型的双向拉压多级蜂窝缓冲器,通过在内筒内部设有压缩吸能材料㊁在外筒内部设有拉伸吸能材料,以及在外筒内部设置凸台㊁双向拉压杆㊁压缩装置相配合的设计,实现了行星着陆缓冲器在着陆过程中的拉压双向吸能㊂具体工作原理:当缓冲器在冲击作用下受拉时,拉力通过万向节连接件拉动双向拉压杆的凸台对缓冲器外筒产生作用,使得外筒和内筒产生相对滑动,在滑动过程中外筒底部端盖压缩外筒多级铝蜂窝,外筒多级铝蜂窝吸收冲击动能;当缓冲器在冲击作用下受压时,压力通过万向节连接件传递给双向拉压杆,双向拉压杆通过底部圆盘对内筒多级铝蜂窝进行压缩,内筒多级铝蜂窝吸收冲击动能㊂其相对于传统缓冲器而言结构简单,可靠性㊁通用化程度高㊂在结构设计上基于新型多级蜂窝缓冲器的探月着陆器相对于传统构型着陆器而言,具有一定的特殊性,图2所示为新构型着陆器示意图㊂图2㊀基于新型多级蜂窝缓冲器的探月着陆器2㊀缓冲材料的选择根据铝蜂窝结构压缩特性,可将其压缩过程分为异面压缩和面内压缩㊂如图3所示,沿着z方向压缩即为异面压缩,沿着x,y方向即为面内压缩㊂由于异面压缩时产生的平均应力远远大于面内压缩时产生的平均应力[9],所以通常情况下,在铝蜂窝缓冲器中,由铝蜂窝来承受异面压缩方向的冲击载荷㊂图3㊀铝蜂窝材料异面方向示意图图4㊀探测器(总质量1800kg)反向加速度曲线[7]文献[10]中利用Hexweb公司的2种强度的铝蜂窝串联作为缓冲器的二级缓冲材料,以研究分析二级铝蜂窝缓冲装置的缓冲特性㊂而文献[7]在选取Hexweb公司的2种强度的铝蜂窝作为缓冲材料的基础上,又对三级,四级和五级进行仿真分析,确定最佳吸能缓冲级数为三级㊂但是,上述三级蜂窝缓冲器仅仅局限于2种材料的铝蜂窝,且其仿真结果如图4所示㊂在当第一级蜂窝材料完全压缩时,探测器反向加速度发生突变,造成探测器过载突然增大,容易对探测器本体及有效载荷产生不利影响,且如若针对载人探测器而言,其内部宇航员具有不太良好的舒适度,或对宇航员身体造成损伤㊂在这一情况下,为缓和探测器反响加速度发生突变的情况,在2种材料的铝蜂窝之间再添加一种强度适中的铝蜂窝材料作为搭配,如表1所示㊂表1㊀铝蜂窝材料参数表[11]型号EX/GPaEY/GPaEZ/GPaGXY/GPaGXZ/GPaGYZ/GPaHexweb1/4⁃5052⁃0.001⁃2.11.3ˑ10-31.3ˑ10-31.630.300.150.22Hexweb1/4⁃5052⁃0.0015⁃2.32.3ˑ10-32.3ˑ10-31.750.350.180.26Hexweb1/4⁃5052⁃0.0015⁃3.43.1ˑ10-33.1ˑ10-32.180.400.200.302增刊陈金宝,等:新型多级铝蜂窝缓冲器的缓冲性能研究与分析3 仿真分析验证根据文献[12]所给出的着陆冲击模型及参数确定方法,选用探测器本身四分之一质量对铝蜂窝进行异面冲击(因为探测器本身如果为四腿结构,主缓冲支柱和辅助缓冲支柱分别承担纵向和横向载荷,竖向冲击主要靠主缓冲支柱来吸收,每条主缓冲支柱承担约四分之一的冲击质量),在Ansys/Ls⁃dyna软件中进行简化建模,利用Ls⁃prepost进行后处理,简化模型见图5,质量块同样设为450kg,压缩完成后的状态如图6所示,仿真结果可得质量块的反向加速度如图7所示㊂图5㊀三级蜂窝缓冲㊀㊀㊀㊀图6㊀冲击压缩完成后的装置简化模型有限元模型图7㊀冲击平台反向加速度曲线该仿真结果与先前两种材料的铝蜂窝搭配的三级蜂窝缓冲器对比,其冲击平台加速度最大值明显降低,且其冲击平台反应加速度曲线也更为平滑㊂由此可见,在强弱铝蜂窝间添加一种过渡性材料则更有利于减小在弱蜂窝铝材压缩量达到最大时突变加速度的变化峰值㊂但是,为了适应新型双向拉压多级蜂窝缓冲器的需求,需要将三级铝蜂窝的内外径,强中弱3种蜂窝的厚度,搭配出一种最优解,即三级铝蜂窝压缩量达到最大,且冲击平台反向加速度的最大值最小㊂针对上述问题,采用旋转正交组合实验对三级铝蜂窝进行搭配仿真实验㊂利用旋转正交组合方案进行实验具有较强的代表性,能够比较全面地反映各因素水平对指标影响的大致情况,具有均衡分散性和整体可比性,能减少实验次数,使计算分析大为简化[13]㊂将压缩行程仿真结果导入到Design⁃Expert软件进行验证其结果是否收敛[14],如图8所示,验证可得其仿真结果在合理范围之内,具有收敛性㊂且当三级铝蜂窝整个行程为750mm,弱蜂窝(Hexweb1/4⁃5052⁃0.001⁃2.1)长度为300mm,中蜂窝(Hexweb1/4⁃5052⁃0.0015⁃2.3)长度为250mm,强蜂窝(Hexweb1/4⁃5052⁃0.0015⁃3.4)长度为200mm时,其压缩行程最长,且其压缩完一级弱蜂窝时达到加速度最大值,相较于传统的2种材料的铝蜂窝组成的三级铝蜂窝而言,加速度峰值明显降低㊂图8㊀压缩行程残差正态图在对多级铝蜂窝的搭配方式进行优化后,需要将优化结果应用到整机环境中,其整机多体动力学模型在ADAMS中建立,如图9所示㊂与传统悬臂梁式的探月着陆器机体质心反向加速度做相应的对比分析以验证缓冲性能,其模型如图10所示㊂为了对铝蜂窝的压溃力模拟,建立2个摩擦块,利用摩擦力来模拟铝蜂窝压溃[14]㊂建模方法:内筒与两摩擦块建立接触副,2个摩擦块之间建立平面副,且均与外筒存在滑移副,方向沿内筒轴向,并且存在摩擦,图11展示了铝蜂窝的摩擦块建模形式㊂在工况1环境中,质心加速度响应极限工况下着陆器机体姿3西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第38卷态为四腿同时着地,其触地速度为4m/s,本体质量为1600kg,引力环境为1.63m/s2,本体质心加速度如图12所示,着陆器足垫触地后,通过铝蜂窝压溃进行吸能减速㊂传统构型的铝蜂窝着陆器,其最大质心加速度出现在0.062s,amax=40.8m/s2,新构型的多级铝蜂窝缓冲着陆器,其最大质心加速度出现在0.056s,amax=36.2m/s2㊂图9㊀新构型探月着陆器多体动力㊀㊀图10㊀传统构型探月着陆器多体动㊀㊀图11㊀铝蜂窝压溃模拟示意图学模型(四腿同时着地)力学模型(四腿同时着地)图12㊀本体质心加速度(四腿同时着地)图13和图14分别展示了 2⁃2 着陆条件下新构型探月着陆器和传统构型探月着陆器的多体动力学模型,其着陆条件为:触地速度为4m/s,本体质量为1600kg,月面坡度8ʎ,引力环境为1.63m/s2,本体质心加速度如图15所示,着陆器足垫触地后,通过铝蜂窝压溃进行吸能减速㊂传统构型的铝蜂窝着陆器,其最大质心加速度出现在0.052s,amax=54.8m/s2,新构型的多级铝蜂窝缓冲着陆器,其最大质心加速度出现在0.224s,amax=49.3m/s2㊂图13㊀新构型探月着陆器㊀图14㊀传统构型探月着陆器多体动力学模型多体动力学模型( 2⁃2 式着地)( 2⁃2 式着地)图15㊀本体质心加速度( 2⁃2 式着地)图16和图17分别展示了 1⁃2⁃1 着陆条件下新构型探月着陆器和传统构型探月着陆器的多体动力学模型,其着陆条件为:触地速度为4m/s,本体质量1600kg,月面坡度8ʎ,引力环境为1.63m/s2,本体质心加速度如图18所示,着陆器足垫触地后,通过铝蜂窝压溃进行吸能减速㊂传统构型的铝蜂窝着陆器,其最大质心加速度出现在0.098s,amax=41m/s2,新构型的多级铝蜂窝缓冲着陆器,其最大质心加速度出现在0.289s,amax=34.7m/s2㊂图16㊀新构型探月着陆器㊀图17㊀传统构型探月着陆器多体动力学模型多体动力学模型( 1⁃2⁃1 式着地)( 1⁃2⁃1 式着地)4增刊陈金宝,等:新型多级铝蜂窝缓冲器的缓冲性能研究与分析图18㊀本体质心加速度( 1⁃2⁃1 式着地)将仿真结果进行对比分析,结果表明:在多种工况的着陆条件下,基于新型多级蜂窝缓冲器的探月着陆器的本体质心加速度普偏低于传统悬臂式着陆器,特别是在极端工况下,其最大质心加速度的响应时间低于传统悬臂式着陆器,这对于着陆器本体而言,更有利于其大大降低在着陆过程中出现的损伤㊂为后续工程实施及未来新着陆构型的设计提供技术支撑㊂4㊀结㊀论基于Ansys/Ls⁃dyna有限元软件,在传统2种强度铝蜂窝的材料的基础之上再添加一种强度的铝蜂窝材料进行过渡,对这种搭配方式的多级铝蜂窝进行仿真,并将优化后的搭配方案应用于整机环境中,该整机模型基于Adams仿真软件进行多条件多工况下的仿真,其验证结果如下:1)在传统三级铝蜂窝缓冲器上添加另一种强度的铝蜂窝材料进行过渡后,以同样尺寸和质量的冲击平台对其进行冲击,经研究对比发现其相对于传统三级铝蜂窝缓冲器缓冲吸能特性更加良好,且在一级铝蜂窝压缩完成后,冲击平台反响加速度没有明显的突变,且其峰值也降低了不少,有利于降低探测器着陆过程中的损伤㊂2)将新型的三级蜂窝缓冲器,从铝蜂窝厚度尺寸,内外径大小等方面进行搭配,这里采用了旋转正交组合实验,对多级铝蜂窝缓冲器进行优化设计,为实际应用选取了一种最具有合理性的搭配方案㊂3)将优化后的搭配方案应用于整机环境中,在四腿同时着地 , 2⁃2式着地 , 1⁃2⁃1式着地 工况下进行仿真验证,基于新型多级蜂窝缓冲器的探月着陆器是完全可行的,且其缓冲性能相对于传统悬臂式着陆器而言具有一定的优越性㊂参考文献:[1]㊀YAMSHITAM,GOTOHM.ImpactBehaviorofHoneycombStructureswithVariousCellSpecifications⁃NumericalSimulationandExperiment[J].InternationalJournalofImpactEngineering,2005,32(1/2/3/4):618⁃630[2]㊀HONGST,PANJ,TYANT.Quasi⁃StaticCrushBehaviorofAluminumHoneycombSpecimensunderCompressionDominantCombinedLoads[J].InternationalJournalofPlasticity,2006,22(6):1062⁃1088[3]㊀ZHOUQQ,MAYERRR.CharacterizationofAluminumHoneycombMaterialFailureinLargeDeformationCompression,Shear,andTearing[J].JournalofEngineeringMaterialsandTechnology,2002,124(4):412⁃420[4]㊀DOENGIF,BURNAGEST,COTTARDH.LanderShock⁃AlleviationTechniques[R].ESABulletin93,1998[5]㊀王闯.四腿桁架式月球着陆装置设计及其着陆缓冲技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008WANGChuang.DesignandLandingBufferTechnologyofFour⁃LegTrussedLunarLandingDevice[D].Harbin:HarbinInstituteofTechnology,2008(inChinese)[6]㊀李翔城,林玉亮,卢芳云,等.两种二级铝蜂窝结构缓冲吸能特性研究[J].中国测试,2016,42(10):100⁃106LIXiangcheng,LINYuliang,LUFangyun,etal.StudyonEnergyAbsorptionCharacteristicsofTwoSecondaryAluminumHoneycombStructures[J].ChinaTest,2016,42(10):100⁃106(inChinese)[7]㊀卢志强.载人登月飞行器用多级蜂窝缓冲器及全机软着陆冲击研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2015LUZhiqiang.Multi⁃StageHoneycombBufferandImpactofSoftLandingonMannedLunarLandingVehicle[D].Harbin:HarbinInstituteofTechnology,2015(inChinese)[8]㊀杨建中,曾福明,满剑锋,等.嫦娥三号着陆器着陆缓冲系统设计与验证[J].中国科学:技术科学,2014,44(5):440⁃4495西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第38卷YANGJianzhong,ZENGFuming,MANJianfeng,etal.DesignandVerificationofLandingBufferSystemforCE⁃3Lander[J].ScienceofChina:TechnicalScience,2014,44(5):440⁃449(inChinese)[9]㊀GIBSONLJ,ASHBYMF.CellularSolid:StructureandProperties[M].2nded.Cambridge:CambridgeUniversityPress,1997[10]陈金宝,聂宏,赵金才,等.月球探测器软着陆缓冲机构着陆性能分析[J].宇航学报,2008(6):1729⁃1732CHENJinbao,NIEHong,ZHAOJincai,etal.AnalysisofLandingPerformanceofLunarProbSoftLandingBufferMechanism[J].ActaAsronautica,2008(6):1729⁃1732(inChinese)[11]HexWeb.HexWebTMHoneycombEnergyAbsorptionSystemsDesignDate[EB/OL](2005⁃08⁃15)[2020⁃03⁃15].http:ʊwww.hexcelcomposites.com/Markets/Products/Honeycomb[12]叶民镇.地面撞击模型建模及相关参数确定[J].工程力学,2006,23(10):107⁃110YEMinzhen.ModelingofGroundImpactModelandDeterminationofRelatedParameters[J].EngineeringMechanics,2006,23(10):107⁃110(inChinese)[13]刘颖,王海燕.试验设计与分析[M].北京:清华大学出版社,2005LIUYing,WANGHaiyan.TestDesignandAnalysis[M].Beijing:TsinghuaUniversityPress,2005(inChinese)[14]NOHMIM,MIYAHARAA.ModelingforLunarLanderbyMechanicalDynamicsSoftware[C]ʊAIAAModelingandSimulationTechnologiesConferenceandExhibit,Reston,2005ResearchandAnalysisofCushioningPerformanceofNewMultistageAluminumHoneycombBufferCHENJinbao1,2,3,QIANJiacheng1,JIAShan1,2,3,ZHOUJinhua1,XUYanan11.SchoolofAstronautics,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China;2.AerospaceEntersDecelerationandLandingTechnologyLaboratory,Nanjing210016,China;3.KeyLaboratoryofDeepSpaceAstronomyExplorationAgencyTechnologyMinistryofIndustryandInformationTechnology,㊀㊀Nanjing210016,Chinaæèççççöø÷÷÷÷Abstract:Toimprovethesafetyandstabilityoftheplanetarydetectorduringthelandingbufferprocess,anovelstructureofmulti⁃stagealuminumhoneycombbufferisproposed.Thebufferbelongstoabidirectionaltensionandpressurebufferthathasthecharacteristicsofsimplestructure,highreliabilityandhighgeneralization.Theimpactsimulationtestofthethree⁃stagealuminumhoneycombbufferofthreematerialshasbeencarriedoutbyAnsys/Ls⁃dyna.Comparewiththetraditionalthree⁃stagealuminumhoneycomboftwomaterials,theresultsshowthatafterthecompressionoftheprimaryaluminumhoneycombiscompleted,thereverseaccelerationpeakoftheimpactplatformissignificantlyreduced,andtheaccelerationcurveissmoother,whichisbeneficialtoimprovetheoverallsafetycharacteristicsoftheplanetarydetectorduringlanding.Onthisbasis,consideringtheactualstructuralengineeringapplication,therotatingorthogonalcombinationtestofthreematerialsofthree⁃stagealuminumhoneycombhasbeencarriedouttoselectthemostreasonablematchingschemes.ThecollocationschemewasappliedtothenewconfigurationofthewholemachineenvironmentusingAdamsforimpactsimulation,andcomparedwiththetraditionalcantileverlandersimulationresultstoverifyitscushioningperformance.Keywords:landingbuffer;buffer;multi⁃stagealuminumhoneycomb;reverseacceleration;machinesimulation6。
月球着陆器软着陆冲击仿真林轻;聂宏;陈金宝;万峻麟;李立春【摘要】为提高分析月球着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应的准确性,提出一种基于瞬态动力学的着陆器有效载荷软着陆冲击响应分析方法.根据着陆器全机结构柔性和月壤柔性对有效载荷着陆冲击响应的影响,参照某型着陆器,于MSC.PATRAN环境中建立着陆器全机柔性体模型及月壤柔性体模型,运用瞬态动力学仿真软件MSC.DYTRAN对着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应特性进行了仿真研究.仿真结果与试验结果具有一定的一致性.研究结果表明:使用该方法分析着陆器软着陆有效载荷的着陆冲击响应是准确有效的,能够比较逼真地模拟月球着陆器实际着陆工况.%To improve the analysis accuracy of soft landing impact response for lunar lander, a method based on nonlinear transient dynamic analysis was presented. In view of the influence of the flexibility of lunar lander and regolith on impact response of payloads, the flexible models for the lander and regolith were built by MSC. PATRAN based on a certain lunar lander. Then, the transient dynamics software MSC. DYTRAN was used to simulate the payloads impact response of soft landing. It shows that the simulation is consistent with experimental results. The proposed method analyzes the landing impact response for several payloads accurately and simulates the actual landing conditions of lunar lander realistically.【期刊名称】《中国空间科学技术》【年(卷),期】2011(031)005【总页数】7页(P70-75,83)【关键词】柔性体;瞬态动力学;软着陆;仿真;月球着陆器【作者】林轻;聂宏;陈金宝;万峻麟;李立春【作者单位】南京航空航天大学,南京210016;南京航空航天大学,南京210016;南京航空航天大学,南京210016;南京航空航天大学,南京210016;南京航空航天大学,南京210016【正文语种】中文1 引言软着陆缓冲机构是月球探测器着陆过程中重要的吸能装置,其主要功能是缓冲探测器在月面着陆时的冲击载荷,保证结构和有效载荷的安全,防止探测器倾倒并为其在月面工作提供可靠的支持。
两种二级铝蜂窝结构缓冲吸能特性研究作者:李翔城林玉亮卢芳云来源:《中国测试》2016年第10期摘要:该文对二级串联式铝蜂窝结构和二级组合式铝蜂窝结构的缓冲吸能特性进行比较,从而实现对铝蜂窝缓冲吸能结构装置优化设计。
通过准静态异面压缩实验,对两种不同正六边形胞元的铝蜂窝进行测试,分别得到这两种二级铝蜂窝结构的压缩变形过程和应力响应曲线,并对其变形机理进行分析。
实验结果表明,二级串联式铝蜂窝和二级组合式铝蜂窝均能实现梯度平台应力响应,这有利于二级缓冲吸能结构的工程应用。
此外,对于单轴压缩,二级组合式铝蜂窝的嵌入过程只有一个应力峰值并且其能达到更高的压实程度,但是峰值应力值较大,有待进一步优化。
在吸能特性方面,与同一尺寸的二级串联式铝蜂窝缓冲器相比,组合式铝蜂窝缓冲结构的单位体积吸能效果稍强,尤其是单位质量吸能效果更好,可为缓冲吸能结构的优化设计提供新的选择方式。
关键词:组合式铝蜂窝;串联式蜂窝;缓冲吸能;异面压缩文献标志码:A 文章编号:1674-5124(2016)10-0100-07Abstract: Aimed to optimize multi-layer aluminum hexagonal honeycomb buffer and energy-absorption structures, related properties between bilayer combined aluminum hexagonal honeycomb and series aluminum honeycomb were compared. The authors carried out on two types of hexagonal honeycomb with different sizes of cells under quasi-static out-of-plane compression. As a result,stress-strain curves of combined aluminum honeycomb and series aluminum honeycomb were gotten. Results show that both bilayer aluminum honeycomb structures can realize gradient plateau stress response, which is beneficial in the practical applications. Besides, it also shows that the insertion process of combined honeycomb structure can erase the initial peak stress,but a higher peak stress is left and it can also realize higher compaction degree. In a word, the ability of buffering and energy-absorption is better than series honeycomb structures.Keywords: combined aluminum honeycomb; series honeycomb structure; energy-absorption; out-of-plane compression0 引言铝蜂窝作为一种结构材料,具有密度低、压溃强度弱、压缩行程大的特点,是一种优良的缓冲吸能结构材料。
正六边形铝蜂窝是一种正交各向异性材料结构,很多学者对其面内性质和异面性质都进行过研究[1-3]。
其中,在缓冲吸能特性应用方面,主要是利用铝蜂窝的异面缓冲吸能性质,表现出良好的压缩不可逆性、高效性及稳定性;因此,在许多关键工程领域中应用非常广泛。
特别是在快速发展的航天领域中,铝蜂窝结构缓冲器在减冲击装置和飞行器着陆器中均表现出优异的缓冲吸能性能[4-5]。
此外,铝蜂窝作为缓冲吸能材料在汽车碰撞与减振过程中也发挥着重要作用[6]。
铝蜂窝的制造较为通用的加工方式是拉伸成形法。
但是由于加工工艺的限制,铝箔材料沿异面方向厚度最大为150 mm[7]。
所以,当要求压缩行程大于工艺限制时,需要考虑多级铝蜂窝缓冲吸能结构的设计,并对多级蜂窝结构的稳定性和缓冲吸能性能进行优化。
这样不仅可以降低加工难度,同时通过不同结构或规模的铝蜂窝组合使用,可以得到目标梯度平台应力响应曲线[8],进而实现对缓冲吸能材料或结构的应力响应方式进行设计。
目前国内外一般采用多级铝蜂窝串联的方式来实现缓冲吸能结构的优化。
李萌等[9]对铝蜂窝串联缓冲吸能结构进行了准静态压缩仿真及实验研究,实现了对铝蜂窝串联结构的参数化建模仿真;结果表明,与单层铝蜂窝结构相比,串联式蜂窝结构表现出更加优良的吸能特性。
Yasui[10]通过对3种不同材料的铝蜂窝进行冲击测试,提出金字塔形串联新型组合结构,并发现金字塔结构相比同一尺寸的蜂窝结构吸能性质更好。
总之,串联式蜂窝结构在实际应用技术中越来越成熟。
林玉亮[11]在蜂窝响应曲线优化设计的基础上,提出组合式铝蜂窝缓冲吸能结构。
文学军[12]和曹雷[13]研究了组合式铝蜂窝缓冲吸能结构的冲击响应性质并分析了减冲击的可行性。
串联式蜂窝结构与组合式蜂窝结构在构形上具有较高的相似性,为了比较这两种蜂窝结构的缓冲吸能特性,本文通过准静态异面压缩实验研究二级串联式铝蜂窝结构和二级组合式铝蜂窝结构的力学特征曲线,分析两者之间的差异,并对两种二级蜂窝结构的吸能性质进行对比,进而为多级铝蜂窝缓冲器的优化设计与实际应用提供新的可选方案。
1 异面压缩实验1.1 试样及加载方式准静态异面压缩试验在TAW2000电液伺服试验机上进行,加载速率设置为2 mm/min;通过传感器记录载荷-位移曲线。
所选取的铝蜂窝试样为正六边形铝蜂窝结构,其基体材料为Al5052,选用两种不同规格的铝蜂窝,胞元边长分别为1.87 mm(疏蜂窝)和1.13 mm(密蜂窝),对应的蜂窝结构等效密度为104.0 kg/m3和183.2 kg/m3。
为更好地比较二级串联式铝蜂窝和二级组合式铝蜂窝的缓冲吸能特性,将两种铝蜂窝试样通过线切割方式加工成相同尺寸:试样面内尺寸为30 mm×30 mm,厚度10 mm,如图1(a)~图1(b)所示。
同时,为了保证实现单轴加载,设计了由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制作的透明限位框,实验时将二级蜂窝结构试样放置在限位框内,如图1(c)所示。
串联式蜂窝结构是在蜂窝叠层之间采用隔板隔开所构成的缓冲吸能结构;组合式蜂窝结构就是蜂窝叠加层之间不采用隔板隔开,存在蜂窝间相互嵌入作用的缓冲吸能结构。
二级组合式铝蜂窝结构试样采用两个方向交错排布(即相互成90°)的方式叠加在限位框内,如图2所示;二级串联式铝蜂窝试样在两个试样中采用薄铝板(30 mm×30 mm×0.4 mm)隔开,薄铝隔板的质量为2.558 g。
本文对上下两层分别为相同规格和不同规格的二级铝蜂窝结构进行了对比实验。
1.2 相同规格二级蜂窝结构对比实验对于相同规格的二级串联式铝蜂窝结构压缩可以分为两种情形,即薄铝隔板上下均是密蜂窝或疏蜂窝,记为H1.13-10 mm+H1.13-10 mm-CH与H1.87-10 mm+H1.87-10 mm-CH,其中“1.13”与“1.87”表示六边形胞元边长,“10 mm”表示异面厚度,“CH”表示串联。
变形过程以疏蜂窝为例,如图3所示。
与单一正六边形铝蜂窝缓冲吸能原理相似,串联式蜂窝结构也是通过蜂窝胞壁结构的屈曲进行吸能的[14]。
从图中可以看到,加载开始时上层靠近压头的蜂窝首先进行屈曲,进入弹性屈曲阶段,此时结构是可恢复的;紧接着隔板上层蜂窝结构进入塑性屈曲阶段,而下层蜂窝没有发生结构屈曲;当隔板上层蜂窝进入压实阶段,隔板下层蜂窝开始发生结构屈曲;直至隔板上下两级蜂窝都达到压实应变,进入两级结构的共同密实阶段。
需要说明的是,对于准静态压缩,蜂窝结构通常是从压头方向进行结构屈曲。
但是对于串联蜂窝结构,因为实际加工过程不能保证上下两个蜂窝试样结构完全一致,故隔板上、下层蜂窝哪个先发生结构屈曲,具有一定的随机性。
同样,对于相同规格的二级组合式铝蜂窝结构压缩亦可以分为两种情形,分别是上、下均是密蜂窝或疏蜂窝,记为H1.13-10 mm+H1.13-10 mm-ZH与H1.87-10 mm+H1.87-10 mm-ZH。
“ZH”表示上下两个蜂窝试样直接叠加组合,其变形过程以疏蜂窝为例,如图4所示。
和串联式蜂窝缓冲结构响应方式不同,组合式铝蜂窝首先是相同规格上下两级蜂窝的相互嵌入,如图4(b)所示,在这个阶段结构所起的缓冲作用是蜂窝薄壁相互剪切的结果。
相互嵌入的过程在嵌入厚度达到单层蜂窝的异面高度时结束,如图4(c)所示。
当上、下蜂窝完全嵌入之后,剩余结构进入共同压溃阶段,最后被压实,如图4(d)~图4(e)所示。
1.3 不同规格二级蜂窝结构对比实验对于不同规格二级串联式铝蜂窝缓冲结构,即薄铝隔板上、下分别为疏蜂窝与密蜂窝,记为H1.87-10 mm+H1.13-10 mm-CH。
其典型的异面压缩变形响应如图5所示。
与相同规格二级串联式蜂窝响应方式略有不同,因为上下两级蜂窝强度的差异,整个结构的变形首先是由强度较弱一级(疏蜂窝)先发生结构屈曲,当结构屈曲到一定压实应力时,第二级(密蜂窝)再进行薄壁折叠,产生结构屈曲,最后上下蜂窝层共同进入压实阶段。
这种结构屈曲的顺序是可预判及可设计的。
对于不同规格二级组合式蜂窝缓冲结构,即薄铝隔板上、下分别为疏尺寸蜂窝与密尺寸蜂窝,记为H1.87-10 mm+H1.13-10 mm-ZH。
其异面压缩变形响应与相同规格二级组合式蜂窝缓冲结构变形响应基本一致。
压缩后的二级蜂窝结构如图6所示。
图6(a)为二级串联式蜂窝结构压缩后试样,可以看出压实后隔板上、下级蜂窝结构均比较规则,并且蜂窝结构几乎没有泊松效应。
图6(b)为二级组合式蜂窝结构压实后状态,可以定性看出,其压实后的试样密实化程度比对等的二级串联式蜂窝结构密实化程度更高。
1.4 两种二级蜂窝结构响应机理分析二级串联式蜂窝结构与二级组合式蜂窝结构的响应方式机理示意如图7所示。
如图7(a),对于二级串联式蜂窝结构可以通过Wierzbicki[14]提出的超折叠单元理论解释,蜂窝的周期性折叠使得异面压缩过程中应力值出现一定的波动。
而对于二级组合式铝蜂窝结构的缓冲机理主要可以分为两个部分:1)如图7(b)所示,胞壁相互交错排布,嵌入过程本质上就是薄板相互剪切的过程,因为蜂窝结构的嵌入强度弱于单层蜂窝结构的屈曲强度,故二级组合式蜂窝结构的嵌入过程先于蜂窝结构的屈曲过程;2)完全嵌入之后,再进行剩余结构的屈曲。