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大学生创新训练计划新型多级点阵吸能结构开发一级学科：自然科学类指导老师：范华林教授项目负责人：马至远谢雨涵河海大学2013-3-31第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛培育项目主要内容3纺织复合材料二级结构2基本概述金属多级结构41选题依据5结论与展望选题依据1选题依据引言Ⅰ级：矩形和L型截面的杆件单元Ⅱ级：由这些杆件组成的桁架结构Ⅲ级：由桁架结构组成的铁塔的柱子选题依据课题来源对于航空航天结构、船舶结构、高速运载工具、风机叶片等工程结构，减轻结构重量、提高结构的承载效率是非常重要的设计指标。高速铁路机车车身轻量化、多功能化及碰撞安全要求、汽车轻量化及碰撞安全要求以及抗爆防爆结构设计等对轻质吸能结构提出了需求。点阵材料的比刚度和比强度高于蜂窝和泡沫材料，具有非常高的质量效率。故在结构工程领域，点阵材料作为一种新型的轻质高强结构材料具有广阔的应用前景。而多级点阵结构作为普通点阵的加强，将具有显著的吸能效果。综合以上两点，并结合范华林教授多年的研究成果，本课题拟针对增强运载设备技术水准及提高机车安全性能等方面，在现有科技水平基础上，进行新型吸能复合材料的改进和技术研究。课题将采用设计、制备、试验等方法，基于点阵结构特性设计新型防撞吸能构件，试验研究构件的抗冲击性能。选题依据选题意义在纺织点阵材料抗冲击性能研究的基础上，进一步揭示材料的韧性机制和能量吸收特征，改进纺织点阵材料夹层结构的设计，利用多极化概念，制备多级点阵吸能结构，可为车辆、防护等工程提供新的吸能材料。项目指导老师范华林教授近十年来一直坚持从事轻质点阵复合材料的开发及其力学性能的研究，率先设计制备了全碳纤维点阵复合材料夹层梁结构，开发了嵌锁碳纤维格栅复合材料。他的研究成果为本项目的顺利实施提供了有力保障。基本概述2基本概述多级结构力学性能传统的蜂窝、泡沫，以及Z向增强泡沫夹芯结构通常作为承载结构来使用，其多功能潜力较小，于是发展一种多功能结构将是进一步替代传夹芯结构的关键，多级空夹芯结构就是在这种多功能需求的背景下最早受到关注的，它是一种具有多功能潜力的夹芯结构。夹芯结构一般采用玻璃纤维和环氧树脂制备而成，通过对传统二维工艺进行再编制，可制成多级点阵材料。再次编制可以形成连续的纤维结构，在冲击荷载作用下能分多层次吸收能量，增强结构的抗冲击性能。在本项目中，我们也利用金属材料进行设计加工，制成多级金属材料，进而进行性能测试。基本概述基于方形蜂窝构型设计的多层级结构典型多级结构金属金字塔多层点阵结构基本概述研究现状Lakes于1993年在Nature上发表了多级结构对材料性能影响的文章，并以法国巴黎EiffelTower的多重桁架结构为例，说明多级结构的存在将提高材料抗屈曲能力。EiffelTower的多重桁架结构基本概述研究现状范华林教授等研究发现，多尺度材料的抗屈曲和抗冲击能力大于常规胞元材料。材料阶数与材料承载能力的对应关系基本概述研究现状Murhpey等研究发现，桁架结构的出现可以增强结构的整体抗弯能力和抗屈曲能力，局部屈曲成为材料破坏的可能模式。在此基础上，将组成桁架的单元杆也桁架化，形成多尺度高阶桁架结构，可提高单元抗局部屈曲的能力。梁的多尺度结构示意图基本概述研究现状Kooistra等于2007年发表了一篇二阶波纹结构的能量吸收特性的研究论文。研究表明抗屈曲与能量吸收是多级胞元材料的最大优势。二阶波纹结构单元选题依据潜在应用领域车身轻量化设计新型夹层防护栏防爆结构设计IWTSCwinddeflector高速列车安全性设计应变应力吸能平台理想的吸能应力应变曲线基本概述设计的基本原理是以夹层结构单元取代传统的薄壁实体单元，通过提高单元的刚度和极限塑性弯矩，提高结构的抗屈曲能力和能量吸收效率,力争实现理想的吸能应力应变曲线。纺织复合材料二级结构3研究机理纺织复合材料二级结构特性结构吸能性能的试验研究研究内容研究内容ClicktoaddTitle1研究机理有研究表明，增加结构的复杂性可能会产生更轻质的结构。并且，连续结构层次更利于质量的减轻和性能的提高。例如，一个管的强度高于同等重量的实心棒。同样的，管构成的桁架强度强于同等质量的实心棒所构成的桁架。基于此类机理，课题组展开对多级结构的研究。在多级纺织结构中，材料所受外力将通过网格化结构分级传递，以此增强结构承载性能。研究内容ClicktoaddTitle2纺织复合材料二级结构特性我们设计制备了二级纺织点阵结构，其制作机理是将玻璃纤维布在一级纺织的基础上，进行裁剪和再编制。之后再按照约为100:0.75:1.5的配合比将环氧树脂、兰水、固化剂配成固化剂，使其将材料浸透并固化成型。研究内容研究内容ClicktoaddTitle3结构吸能性能的试验研究静力试验在DNS300万能实验机上完成。加载速率为0.2mm/min。A-1B-1B-2B-3A-2A-1:9*9.5cmA-2:9*9.5cm厚度:1.2cmB-1:7.5*18光滑面在上B-2:7.5*18纬向B-3:7.5*18光滑面在下试样尺寸研究内容静态压缩试验02460510152025Load(kN)Displacement(mm)A-1A-2静态压缩曲线研究内容三点弯试验03060900.00.30.60.9Load(kN)Displacement(mm)B-1B-2B-3三点弯试验曲线金属多级结构4研究机理轴向荷载下圆截面多级结构管的数值模拟多级结构设计与试验研究研究内容研究内容C研究机理e1多级结构金属管作为一种强重比适中、低成本、高吸能效率的结构，主要是通过塑性变形来耗散冲击动能，受冲击荷载作用后发生的总变形量远远超过传统承载结构的变形量，且轴向变形所存储的能量大约要比横向高一个数量级。多级结构原理是在薄壁结构中镶嵌大小相等、形状相同、均匀分布的胞体，是结构在整体破坏之前先发生内部胞体的破坏，减少整体突变的发生，大幅度缓和整体形变的过程。研究内容ClicktoaddTitle2C轴向荷载下圆截面多级结构管的数值模拟试件尺寸研究内容ClicktoaddTitle2C轴向荷载下圆截面多级结构管的数值模拟有限元计算模型研究内容ClicktoaddTitle2C轴向荷载下圆截面多级结构管的数值模拟压缩过程研究内容ClicktoaddTitle2C轴向荷载下圆截面多级结构管的数值模拟压缩结果研究内容ClicktoaddTitle2C轴向荷载下圆截面多级结构管的数值模拟压缩过程研究内容ClicktoaddTitle2C轴向荷载下圆截面多级结构管的数值模拟压缩结果研究内容多级结构设计与试验研究ClicktoaddTitle3试件照片研究内容多级结构设计与试验研究ClicktoaddTitle3原结构实验过程研究内容多级结构设计与试验研究ClicktoaddTitle3多级结构实验过程研究内容多级结构设计与试验研究ClicktoaddTitle30204060800100200300400500600Load(kN)displacement(mm)SingleCylinder-NO.1SingleCylinder-NO.2MutiCylinder-NO.1MutiCylinder-NO.2实验数据结论及展望5结论及展望在之前的研究中，已经对金属多级结构的性能有了一个基本的认识，而其相对于普通结构的优势也有所体现。仍然可以看到，在质量相同的情况下，多级结构的抗压强度有时并不如普通结构，只是吸能效果比普通结构明显。另外对于现阶段所设计的结构，吸能平台的稳定性也有待于进一步的提高。因此，在接下来的实验中，我们计划设计一些不同的内部胞体结构，通过软件模拟和实验分析来寻求更高强度和具有更稳定吸能平台的金属多级结构。经过一个阶段的设计研究，有两种纺织复合材料二级结构成型。A结构内部夹层是经过二次编制的玻璃纤维纺织布，B结构是在二次编织基础上固化成型的波纹结构。外蒙皮均为单级纺织布。通过初步的试验比对，波纹结构吸能性略逊于A结构。对A结构进一步地进行抗压及抗弯试验后，可以由试验曲线看出，二级结构对冲击力产生的能量进行了分层次的吸收，有效地分散了不利影响，吸收性明显高于普通点阵结构。但结构在制作的过程中，仍存在诸如固化时间受限、结构利用不够充分等缺点，在下一阶段的研究中，课题组将会进行不断地尝试和改进。纺织二级结构金属多级结构