1、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃 新型多級(jí)點(diǎn)陣新型多級(jí)點(diǎn)陣吸能結(jié)構(gòu)吸能結(jié)構(gòu)開發(fā)開發(fā)一級(jí)學(xué)科：自然科學(xué)類一級(jí)學(xué)科：自然科學(xué)類指導(dǎo)老師：范華林教授指導(dǎo)老師：范華林教授項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：馬至遠(yuǎn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：馬至遠(yuǎn) 謝雨涵謝雨涵河海大學(xué)河海大學(xué) 2013-3-31第十三屆第十三屆“挑戰(zhàn)杯挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽培育項(xiàng)目課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽培育項(xiàng)目主要內(nèi)容32金屬多級(jí)結(jié)構(gòu)金屬多級(jí)結(jié)構(gòu)41選題依據(jù)選題依據(jù)5結(jié)論與展望結(jié)論與展望選題依據(jù)選題依據(jù)選題依據(jù)選題依據(jù)引言引言級(jí)級(jí)：矩形和矩形和L L型截面的桿件單元型截面的桿件單元級(jí)級(jí)：由這些桿件組成的桁架結(jié)構(gòu)由這些桿件組成的桁架結(jié)構(gòu)級(jí)級(jí)：由桁架結(jié)構(gòu)組成的鐵塔的柱

2、子由桁架結(jié)構(gòu)組成的鐵塔的柱子選題依據(jù)選題依據(jù)課題來源課題來源 對(duì)于航空航天結(jié)構(gòu)、船舶結(jié)構(gòu)、高速運(yùn)載工具、風(fēng)機(jī)葉片等工程結(jié)構(gòu)，減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)的承載效率是非常重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。高速鐵路機(jī)車車身輕量化、多功能化及碰撞安全要求、汽車輕量化及碰撞安全要求以及抗爆防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等對(duì)輕質(zhì)吸能結(jié)構(gòu)提出了需求。 點(diǎn)陣材料的比剛度和比強(qiáng)度高于蜂窩和泡沫材料，具有非常高的質(zhì)量效率。故在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，點(diǎn)陣材料作為一種新型的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料具有廣闊的應(yīng)用前景。而多級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為普通點(diǎn)陣的加強(qiáng)，將具有顯著的吸能效果。 綜合以上兩點(diǎn)，并結(jié)合范華林教授多年的研究成果，本課題擬針對(duì)增強(qiáng)運(yùn)載設(shè)備技術(shù)水準(zhǔn)及提高機(jī)車安全性能等方

3、面，在現(xiàn)有科技水平基礎(chǔ)上，進(jìn)行新型吸能復(fù)合材料的改進(jìn)和技術(shù)研究。課題將采用設(shè)計(jì)、制備、試驗(yàn)等方法，基于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)新型防撞吸能構(gòu)件，試驗(yàn)研究構(gòu)件的抗沖擊性能。 選題依據(jù)選題依據(jù)選題意義選題意義 在紡織點(diǎn)陣材料抗沖擊性能研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示材料的韌性機(jī)制和能量吸收特征，改進(jìn)紡織點(diǎn)陣材料夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，利用多極化概念，制備多級(jí)點(diǎn)陣吸能結(jié)構(gòu)，可為車輛、防護(hù)等工程提供新的吸能材料。 項(xiàng)目指導(dǎo)老師范華林教授近十年來一直堅(jiān)持從事輕質(zhì)點(diǎn)陣復(fù)合材料的開發(fā)及其力學(xué)性能的研究，率先設(shè)計(jì)制備了全碳纖維點(diǎn)陣復(fù)合材料夾層梁結(jié)構(gòu)，開發(fā)了嵌鎖碳纖維格柵復(fù)合材料。他的研究成果為本項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了有力保障?；靖攀?/p>

4、基本概述基本概述基本概述多級(jí)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能多級(jí)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能 傳統(tǒng)的蜂窩、泡沫，以及Z向增強(qiáng)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)通常作為承載結(jié)構(gòu)來使用，其多功能潛力較小，于是發(fā)展一種多功能結(jié)構(gòu)將是進(jìn)一步替代傳夾芯結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，多級(jí)空夾芯結(jié)構(gòu)就是在這種多功能需求的背景下最早受到關(guān)注的，它是一種具有多功能潛力的夾芯結(jié)構(gòu)。夾芯結(jié)構(gòu)一般采用玻璃纖維和環(huán)氧樹脂制備而成，通過對(duì)傳統(tǒng)二維工藝進(jìn)行再編制，可制成多級(jí)點(diǎn)陣材料。再次編制可以形成連續(xù)的纖維結(jié)構(gòu)，在沖擊荷載作用下能分多層次吸收能量，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。在本項(xiàng)目中，我們也利用金屬材料進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，制成多級(jí)金屬材料，進(jìn)而進(jìn)行性能測(cè)試。基本概述基本概述基于方形蜂窩構(gòu)型設(shè)計(jì)的多層級(jí)結(jié)構(gòu)

5、典型多級(jí)結(jié)構(gòu)典型多級(jí)結(jié)構(gòu)金屬金字塔多層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)基本概述基本概述研究研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀nLakes于1993年在Nature上發(fā)表了多級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能影響的文章，并以法國巴黎Eiffel Tower的多重桁架結(jié)構(gòu)為例，說明多級(jí)結(jié)構(gòu)的存在將提高材料抗屈曲能力。Eiffel Tower 的多重桁架結(jié)構(gòu)基本概述基本概述研究研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀n范華林教授等研究發(fā)現(xiàn)，多尺度材料的抗屈曲和抗沖擊能力大于常規(guī)胞元材料。材料階數(shù)與材料承載能力的對(duì)應(yīng)關(guān)系基本概述基本概述研究研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀nMurhpey等研究發(fā)現(xiàn)，桁架結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體抗彎能力和抗屈曲能力，局部屈曲成為材料破壞的可能模式。在此基礎(chǔ)上，將組成桁架的單元

6、桿也桁架化，形成多尺度高階桁架結(jié)構(gòu)，可提高單元抗局部屈曲的能力。梁的多尺度結(jié)構(gòu)示意圖基本概述基本概述研究研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀nKooistra 等于2007 年發(fā)表了一篇二階波紋結(jié)構(gòu)的能量吸收特性的研究論文。研究表明抗屈曲與能量吸收是多級(jí)胞元材料的最大優(yōu)勢(shì)。二階波紋結(jié)構(gòu)單元選題依據(jù)選題依據(jù)潛在應(yīng)用領(lǐng)域潛在應(yīng)用領(lǐng)域車身輕量化設(shè)計(jì)新型夾層防護(hù)欄防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)IWTSC wind deflector高速列車安全性設(shè)計(jì)應(yīng)變應(yīng)力吸能平臺(tái)理想的吸能應(yīng)力應(yīng)變曲線基本概述基本概述設(shè)計(jì)的基本原理是以夾層結(jié)構(gòu)單元取代傳統(tǒng)的薄壁實(shí)體單元，通過提高單元的剛度和極限塑性彎矩，提高結(jié)構(gòu)的抗屈曲能力和能量吸收效率,力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)理想的吸能

7、應(yīng)力應(yīng)變曲線。紡織復(fù)合材料二級(jí)結(jié)構(gòu)紡織復(fù)合材料二級(jí)結(jié)構(gòu)研究機(jī)理研究機(jī)理紡織復(fù)合材料二級(jí)結(jié)構(gòu)特性紡織復(fù)合材料二級(jí)結(jié)構(gòu)特性結(jié)構(gòu)吸能性能的試驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)吸能性能的試驗(yàn)研究研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容ClicktoaddTitle1研究機(jī)理研究機(jī)理 有研究表明，增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性可能會(huì)產(chǎn)生更輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。并且，連續(xù)結(jié)構(gòu)層次更利于質(zhì)量的減輕和性能的提高。例如，一個(gè)管的強(qiáng)度高于同等重量的實(shí)心棒。同樣的，管構(gòu)成的桁架強(qiáng)度強(qiáng)于同等質(zhì)量的實(shí)心棒所構(gòu)成的桁架。基于此類機(jī)理，課題組展開對(duì)多級(jí)結(jié)構(gòu)的研究。在多級(jí)紡織結(jié)構(gòu)中，材料所受外力將通過網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)分級(jí)傳遞，以此增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載性能。研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容ClicktoaddT

8、itle2紡織復(fù)合材料二級(jí)結(jié)構(gòu)特性紡織復(fù)合材料二級(jí)結(jié)構(gòu)特性 我們?cè)O(shè)計(jì)制備了二級(jí)紡織點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其制作機(jī)理是將玻璃纖維布在一級(jí)紡織的基礎(chǔ)上，進(jìn)行裁剪和再編制。之后再按照約為100:0.75:1.5的配合比將環(huán)氧樹脂、蘭水、固化劑配成固化劑，使其將材料浸透并固化成型。 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容ClicktoaddTitle3結(jié)構(gòu)吸能性能的試驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)吸能性能的試驗(yàn)研究 靜力試驗(yàn)在DNS300萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成。加載速率為0.2mm/min。A-1B-1B-2B-3A-2A-1: 9*9.5 cmA-2: 9*9.5 cm厚度: 1.2 cmB-1: 7.5*18 光滑面在上B-2: 7.5*1

9、8 緯向B-3: 7.5*18 光滑面在下試樣尺寸研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容靜態(tài)壓縮試驗(yàn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)02460510152025Load(kN)Displacement(mm)A-1A-2 靜態(tài)壓縮曲線研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容三點(diǎn)彎試驗(yàn)三點(diǎn)彎試驗(yàn)03060900.00.30.60.9Load(kN)Displacement(mm)B-1B-2B-3 三點(diǎn)彎試驗(yàn)曲線金屬多級(jí)結(jié)構(gòu)金屬多級(jí)結(jié)構(gòu)研究機(jī)理研究機(jī)理軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容C研究機(jī)理研究機(jī)理e1 多級(jí)結(jié)構(gòu)金屬管作為一種強(qiáng)重比適中、低成本

10、、高吸能效率的結(jié)構(gòu)，主要是通過塑性變形來耗散沖擊動(dòng)能，受沖擊荷載作用后發(fā)生的總變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)承載結(jié)構(gòu)的變形量，且軸向變形所存儲(chǔ)的能量大約要比橫向高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 多級(jí)結(jié)構(gòu)原理是在薄壁結(jié)構(gòu)中鑲嵌大小相等、形狀相同、均勻分布的胞體，是結(jié)構(gòu)在整體破壞之前先發(fā)生內(nèi)部胞體的破壞，減少整體突變的發(fā)生，大幅度緩和整體形變的過程。研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容ClicktoaddTitle2C軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬試件尺寸研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容ClicktoaddTitle2C軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬有限元計(jì)算模型研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容

11、ClicktoaddTitle2C軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬壓縮過程研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容ClicktoaddTitle2C軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬壓縮結(jié)果研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容ClicktoaddTitle2C軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬壓縮過程研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容ClicktoaddTitle2C軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬軸向荷載下圓截面多級(jí)結(jié)構(gòu)管的數(shù)值模擬壓縮結(jié)果研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究ClicktoaddTitle3試件

12、照片研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究ClicktoaddTitle3 原結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)過程研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究ClicktoaddTitle3 多級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)過程 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究ClicktoaddTitle3 0204060800100200300400500600Load(kN)displacement(mm)SingleCylinder-NO.1SingleCylinder-NO.2MutiCylinder-NO.1MutiCylinder-NO.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)論及展望結(jié)論及展望結(jié)論及展望結(jié)論及展望 在之前的研究中，已經(jīng)對(duì)金屬多級(jí)結(jié)構(gòu)的性能有了一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，而其相對(duì)于普通結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)也有所體現(xiàn)。仍然可以看到，在質(zhì)量相同的情況下，多級(jí)結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度有時(shí)并不如普通結(jié)構(gòu)，只是吸能效果比普通結(jié)構(gòu)明顯。 另外對(duì)于現(xiàn)階段所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，吸能平臺(tái)的穩(wěn)定性也有待于進(jìn)一步的提高。因此，在接下來的實(shí)驗(yàn)中，我們計(jì)劃設(shè)計(jì)一些不同的內(nèi)部胞體結(jié)構(gòu)，通過軟件模擬和實(shí)驗(yàn)分析來尋求更高強(qiáng)度和具有更穩(wěn)定吸能平臺(tái)的金屬多級(jí)結(jié)構(gòu)。 經(jīng)過一個(gè)階段的設(shè)計(jì)研究，有兩種紡織復(fù)合材料二級(jí)結(jié)構(gòu)成型。A結(jié)構(gòu)內(nèi)部夾層是經(jīng)過二次編制的玻璃纖維紡織布，B結(jié)構(gòu)是在二次編織基礎(chǔ)上固化成型的波紋