SM型金属蜂窝载体成型结构设计与分析
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AlSi10Mg合金的 SLM工艺控制的研究进展摘要:一些形状复杂的铝合金常以AlSi10Mg合金粉末为材料,通过选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)技术制造得来,主要应用于航空、汽车等领域。
本文主要讨论AlSi10Mg的SLM工艺控制点。
关键词:AlSi10Mg合金;SLM工艺;微观结构;综合性能0 引言铝合金具有轻质、高比强度等特点,被广泛应用于航天、汽车等行业领域的轻量化设计中。
AlSi10Mg合金是Al-Si-Mg系亚共晶合金的一种,因其良好的流动性与气密性[1]而具有较好的使用效果。
随着轻量化要求的提出,合金构件的形状复杂程度提升[2],激光选区熔化技术是实现高性能构件复杂成型的有效途径。
本文主要论述AlSi10Mg的SLM工艺控制要点。
1 SLM技术原理SLM技术是一种以高能激光束为热源[3]、金属粉末为原料的增材制造技术。
工作原理是按照规划好的路径,激光束逐层选区熔化堆积得到组织致密的金属构件。
操作人员通常利用建模软件如CAD设计模型,对三维模型进行切片处理,将文件导入SLM成型设备中。
等到逐层加工完成后,将成品从基板上取下,进行热处理等后续工艺,以便得到满足性能要求的金属构件。
2 SLM技术对AlSi10Mg粉末的性能要求粉末主要采用无坩埚电极感应熔化气体雾化法(EIGA)和等离子旋转电极雾化法(PREP)[4,5]制备。
评价指标主要包括化学成分、比表面积、粒径分布、球形度、流动度和松装密度等。
SLM技术要求AlSi10Mg粉末尽可能粒径分布窄、球形度高、流动性好、氧含量低、松装密度高[4-6]。
3 AlSi10Mg合金的SLM工艺规律SLM工艺参数是AlSi10Mg合金的SLM过程中对试样质量影响较大的因素。
常见的SLM工艺参数有扫描间距、激光功率、层厚、扫描速度、点距等,通过合理调整这些参数,能够获得组织致密的合金构件,使其呈现出较少的表面缺陷与孔洞。
选区激光熔化AlSi10Mg温度场及应力场数值模拟研究一、本文概述随着增材制造技术的快速发展,选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)作为一种先进的金属增材制造技术,已经广泛应用于航空航天、医疗生物、汽车制造等领域。
由于其独特的逐层堆积成型方式,SLM技术在制造复杂结构和高性能金属部件方面具有显著优势。
然而,SLM过程中涉及的高温、快速冷却和复杂的热应力变化,往往导致成型件产生热裂纹、翘曲变形等缺陷,严重影响了部件的质量和性能。
因此,对SLM过程中的温度场和应力场进行深入研究,对于优化成型工艺、提高部件质量具有重要意义。
本文旨在通过数值模拟方法,研究选区激光熔化AlSi10Mg过程中的温度场和应力场变化规律。
我们将建立SLM过程的数学模型,包括激光与粉末材料的相互作用、粉末的熔化与凝固过程、热传导与热对流等物理现象。
然后,利用有限元分析软件,模拟不同工艺参数下AlSi10Mg材料的温度分布和应力分布。
通过分析模拟结果,我们可以深入了解SLM过程中温度场和应力场的演变规律,揭示影响成型质量的关键因素。
本文还将探讨如何通过优化工艺参数、改善热管理等方式,降低SLM过程中的热应力,减少成型缺陷,提高AlSi10Mg部件的质量和性能。
我们期望通过本研究,为SLM技术在AlSi10Mg等高性能金属材料的应用提供理论支持和实践指导。
二、文献综述随着增材制造技术的快速发展,选区激光熔化(Selective Laser Melting,简称SLM)作为其中的一种重要工艺,已经在航空航天、医疗器械、汽车制造等领域展现出广泛的应用前景。
AlSi10Mg铝合金,作为一种轻质高强度的金属材料,在SLM工艺中备受关注。
然而,SLM过程中产生的温度场和应力场对零件的质量和性能具有重要影响。
因此,对AlSi10Mg在SLM过程中的温度场和应力场进行数值模拟研究,对于优化工艺参数、提高零件质量具有重要意义。
蜂窝式SCR脱硝催化剂生产工艺关键技术分析王伟;郭休链;韩航;周康;陈辉【摘要】SCR ( Selective Catalytic Reduction) denitration catalyst has a large specific surface area, high denitration efficiency and low rate of ammonia escape, which is widely used in coal-fired boiler flue gas removal process. Based on years of production technology practice, raw materials and its effect of honeycomb denitration catalyst production were introduced and the key technology in the process of production was further analyzed. The theory and practice were combined in order to find a solution to solve the problems of catalyst production process and ensure the quality and performance in the production process of denitration catalyst.%选择性催化还原( SCR)脱硝催化剂具有比表面积大、脱硝效率高、氨逃逸率低等优点,广泛应用于燃煤锅炉废气中脱除氮氧化物的工艺。
根据多年生产技术实践,介绍蜂窝式脱硝催化剂生产原料和其作用,并对生产过程中的各关键工艺技术进行深入分析,以期在理论和实践结合基础上探索催化剂生产过程出现问题的解决方法,保证脱硝催化剂生产中的质量和性能。
机械结构的材料疲劳性能分析与优化设计一、引言机械结构的材料疲劳性能是指在外部荷载的反复作用下,材料所呈现的持续变形、开裂和断裂的特性。
疲劳失效是机械结构工程中的重要问题,对于确保机械结构的可靠性和使用寿命具有重要意义。
本文将对机械结构材料疲劳性能的分析与优化设计进行探讨。
二、疲劳性能分析1. 疲劳强度疲劳强度是材料在一定应力水平下能够承受的循环应力次数。
通常采用S-N曲线(应力-寿命曲线)来描述材料的疲劳强度。
S-N曲线呈现应力和寿命之间的关系,从曲线中可以得到材料的疲劳极限、疲劳断点和疲劳寿命等信息。
2. 循环应力循环应力是指机械结构在工作过程中由于重复受到的载荷引起的应力循环。
循环应力可能导致材料产生疲劳开裂,从而影响机械结构的性能和寿命。
因此,对于机械结构的循环应力进行分析是疲劳性能分析的重要环节。
三、材料疲劳性能的优化设计1. 材料选用与热处理材料的选用是提高机械结构疲劳性能的重要因素之一。
一般来说,高强度、高韧性和耐蚀性良好的金属材料是机械结构的理想选择。
此外,通过适当的热处理工艺可以改善材料的强度和韧性,进一步提高疲劳性能。
2. 结构形式与几何形状优化机械结构的结构形式和几何形状对于疲劳性能有着重要影响。
通过有限元分析等方法,可以对机械结构进行优化设计,使其在受循环应力作用下具有更好的疲劳强度。
例如,通过减少应力集中、改变材料分布和优化结构刚度等方式来改善机械结构的疲劳性能。
3. 表面处理与涂层技术通过表面处理和涂层技术可以改善机械结构的疲劳性能。
表面处理包括喷砂、化学镀和电镀等工艺,可以提高材料的表面光洁度和抗疲劳性能。
涂层技术可以在机械结构表面形成一层保护膜,提高材料的耐蚀性和疲劳寿命。
4. 疲劳寿命预测与监测疲劳寿命的预测与监测对于机械结构的优化设计起到重要作用。
通过寿命预测模型和实验测试手段可以对机械结构的疲劳寿命进行评估,为优化设计提供可靠依据。
同时,监测疲劳裂纹的扩展情况和结构的变形情况可以及时掌握机械结构的疲劳状态,从而采取相应的措施。
CFRP-钢超混杂结构共固化成型分析与优化前言电动汽车因电池质量大,进行整车的轻量化设计,减轻电池质量、延长电池的续航里程并提高车身主承力件的力学性能显得十分重要和迫切。
目前可用来减轻汽车质量的材料除了传统的铝、镁合金以外,还有应用愈加广泛的复合材料。
随着科技的迅速发展,汽车领域中对零部件材料的疲劳性能、碰撞性能、损伤容限和成本等提出了更高的要求,为此人们开发了由金属和纤维增强复合材料复合而成的超混杂复合材料,如图1(a)所示。
这种材料具有金属和复合材料的优点,在兼顾成本的同时又具有高的比强度与比刚度、优良的疲劳性能和高损伤容限,同时相比单种材料具有更好的吸能特性。
通过适当的材料/结构设计,该材料既能用作板类覆盖零件又能用于梁/板等主承力零件,在汽车工业具有非常良好的应用前景。
图1(b)为德国宝马公司推出的新7系的车身结构,它巧妙地将碳纤维复合材料通过模压的方式粘接在钢板上构成一个混杂复合材料结构,在保持优异的力学和碰撞性能的前提下质量减轻了130 kg,图1(c)为其中B柱。
而我国在利用金属复材超混杂材料进行汽车结构部件轻量化设计方面目前报道较少[6]。
由于超混杂复合材料或结构由异种材料构成,材料性质的差异会导致成型过程中不可避免地出现残余应力和固化变形,影响零部件的力学性能和尺寸精度。
因此,本文中从CFRP-钢超混杂材料在某电动汽车B柱的应用项目入手,利用有限元法进行了超混杂材料U型槽热模压共固化过程的分析和优化研究,为电动汽车车身结构件采用先进超混杂复合材料进行轻量化设计提供了有益的参考。
图1 代表性超混杂复合材料及其汽车零部件产品1 CFRP-钢超混杂材料B柱设计B柱为U形横截面薄壁梁结构,上下端通过焊接与车身连接。
本项目中B柱整体仍采用钢,仅在需要增强的位置减小其厚度,并将CFRP粘贴到B柱外板内侧,在保证抗冲击性能的同时达到减轻质量目标,并选用热固性预浸料热模压工艺,通过胶结共固化实现CFRP与钢之间的连接。
摘要本论文主要通过研究获得镁合金板材的冲压性能基本数据,研究镁合金板材冲压成形工艺技术,根据镁合金板材冲压成形极限特点,设计较为合理的冲压模具,用冲压工艺制成了AZ31B镁合金生产手机外壳。
冲压工艺的主要技术为:镁板加热温度250-300℃,模具采用电阻加热,凹模温度250-300℃,采用200目石墨作为润滑剂。
镁合金冲压手机外壳具有一系列性能优势,具有很大的市场优势和广阔应用前景。
关键词镁合金;冲压性能;成形极限;冲压模具AbstractIt is one of major research objects about developing deformation magnesium alloys to study the technology of magnesium alloys sheet pressing.According to the forming limit of magnesium alloy sheet,more reasonable press mould is designed, , the shell of mobile phone using AZ31B magnesium alloys is made.Main stamping technology:temperature of blank is 250-300℃, temperature of the die is 250-300℃,graphite as lubricant.This mobile phone shell has a series of advantages,and its stiffness,strength,resistance to impact have been also improved,produce efficiency is high,which has wide market and bright prospect.Key words magnesium alloy stamping performance forming limit press mould目录摘要.................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II第1章绪论 (1)1.1 模具与模具工业 (1)1.1.1 模具工业的重要性 (1)1.1.2 模具的现状 (1)1.1.3 现在模具制造技术的发展趋势 (2)1.2 我国的模具工业 (3)1.2.1 发展现状 (3)1.2.2 主要差距 (4)1.3 论文的选题背景和意义 (5)1.4 论文研究的主要内容 (5)第2章镁及镁合金的概述 (7)2.1 镁合金的结构性能特点 (7)2.2 镁合金的研究现状 (8)2.3 镁合金成形性能研究现状 (9)2.4 本章小结 (10)第3章AZ31B镁合金板材的冲压性能及工艺技术研究 (11)3.1 AZ31B板材的基本成形性能 (11)3.2 塑性应变比r的测定 (11)3.3 AZ31B板材中高温冲压性能 (12)3.4 拉伸试验 (14)3.5 本章小结 (16)第4章AZ31B镁合金手机外壳的冲压模具和工艺 (17)4.1 手机外壳的冲压生产工艺分析 (17)4.1.1 冲压手机外壳形状与尺寸 (17)4.1.2 冲压工艺分析 (17)4.2 冲压模具的制备 (18)4.2.1 落料模具 (18)4.2.2 拉深模具 (20)4.2.3 冲孔模具 (21)4.3 冲压工艺技术 (23)4.3.1 冲压设备及模具 (23)4.3.2 冲压工序及工艺技术 (23)4.4 本章小结 (26)第五章压力机的液压系统 (27)5.1 概述 (27)5.2 YA32-100型四柱万能液压机液压系统的工作原理及特点 (27)5.3 本章小结 (29)结论 (30)参考文献 (31)致谢 (32)附录1 盒形件的拉深变形特点和毛坯的形状与尺寸的确定 (33)附录2 英文文献 (36)附录3 中文翻译 (38)第1章绪论1.1 模具与模具工业1.1.1 模具工业的重要性模具是工业生产的基础工艺装备,在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等产品中,60%~80%的零部件都依靠模具成形。
商用蜂窝式SCR脱硝催化剂产品性能分析侯健;朱林;姚杰;吴碧君【摘要】选取4份国内不同催化剂厂家的蜂窝式SCR脱硝催化剂,测量并对比其机械性能和活性,结合理化特性分析催化剂机械性能与活性不达标的原因.结果表明,脱硝催化剂的机械性能和活性受多方面因素的影响.催化剂中主活性成分和助催化剂WO3的含量,CaO,K,Na,Mg等碱金属,碱土金属元素以及比表面积、孔容等微观孔结构都能影响催化剂的活性.SiO2,Al2O3等玻璃纤维含量和生产工艺会影响催化剂的机械性能.燃煤电厂需根据烟气条件对催化剂进行选型和设计,催化剂生产厂家必须优化和调整催化剂各生产环节工艺参数,严格把控原料质量,确保生产的催化剂产品同时具备良好的机械性能和较高的活性,以满足电厂实际需要.%The catalytic activity and mechanical strength were measured,compared and analyzed for four domestic honeycomb-type SCR denitration catalysts from different vendors. The results indicated that catalytic activity and mechanical strength were influenced by many factors,such as the loading of main catalytic and assistant element of WO3,the amount of CaO,alkali metal element K,Na,alkali earth metal element Mg,as well as pore volume,spe-cific surface area and so on. The SiO2,Al2O3 and production process could influence the mechanical strength of cata-lysts. Coal fired power plants need to select and design catalysts according to flue gas conditions. The catalyst pro-ducers should optimize and adjust the production process parameters,control material quality strictly,and provide high level of catalysts to meet the strict demands both on catalytic activity and mechanical strength for coal fired power plants.【期刊名称】《工业安全与环保》【年(卷),期】2018(044)005【总页数】4页(P5-8)【关键词】SCR脱硝催化剂;蜂窝式;机械性能;活性;理化特性【作者】侯健;朱林;姚杰;吴碧君【作者单位】南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心南京210044;国电科学技术研究院南京210031;南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心南京210044;国电科学技术研究院南京210031;国电科学技术研究院南京210031;国电科学技术研究院南京210031【正文语种】中文0 引言据统计,目前绝大多数燃煤电厂都采用选择性催化还原(SCR)技术来脱除氮氧化物[1]。
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。
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。