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泡沫铝Ansys模型生成软件
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软件名称：
泡沫铝Ansys模型
简称:泡沫铝模型生成软件
著作权人：
万袁冬;周杰
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李永强， 宦强. 基于Ansys的冲击载荷下蜂窝夹芯板的动力学响应[J]. 东北大学学报:自然科学版 , ): 858-862.&&
LI Yong-qiang, HUAN Qiang. Dynamic Response of Honeycomb Sandwich Panel Under Impact Loading Based on Ansys[J]. Journal Of Northeastern University Nature Science, ): 858-862.&&
基于Ansys的冲击载荷下蜂窝夹芯板的动力学响应
李永强, 宦强&&&&
(东北大学 理学院, 辽宁 沈阳 110819)
基金项目：国家自然科学基金资助项目().
作者简介：李永强(1970-)，男，河北饶阳人，东北大学教授.
摘要：以四边固支铝基蜂窝夹芯板为研究对象，针对蜂窝夹芯板胞元中添加颗粒的位置及填充量对动力学响应的影响进行了Ansys数值模拟计算，并比较了不同条件下的蜂窝夹芯板应力应变值.结果表明：在冲击载荷下，蜂窝夹芯板胞元中添加颗粒后能很好地减小应力应变值，增大蜂窝夹芯板的吸能效果.颗粒填充范围为0.2~0.25,颗粒填充数为两粒时，蜂窝夹芯板的应力应变值最小，吸能效果最佳，过多的填充不仅不具有更好的吸能效果，反而会激振蜂窝夹芯板.
蜂窝夹芯板&&&&
冲击载荷&&&&
填充范围&&&&
填充颗粒数&&&&
Dynamic Response of Honeycomb Sandwich Panel Under Impact Loading Based on Ansys
LI Yong-qiang , HUAN Qiang&&&&
School of Sciences, Northeastern University, Shenyang 110819, China. Corresponding author: LI Yong-qiang, E-mail: yqli@mail.
Abstract: For the aluminum honeycomb sandwich panel with SCSC edge supports, the dynamic response numerical calculations were conducted using the Ansys by considering the range and quantity of the filling particles in cell of honeycomb sandwich panel. The stress and strain of the honeycomb sandwich panel in different conditions were further compared. The result indicates that filling particles in the panel cell can well reduce the stress and strain and increase the energy absorption effect. When the range of filling particles is from 0.2 to 0.25 and the quantity of filling particles is 2, the stress and strain of honeycomb sandwich panel are minimal and the effect of the energy absorption is best. Too much filling particles do not have a better energy absorption effect but conversely can shock the honeycomb sandwich panel.
Key words:
honeycomb sandwich panel&&&&
impact loading&&&&
particles&&&&
filling range&&&&
quantity of filling particles&&&&
蜂窝夹芯板被广泛运用在航空航天、船舶、国防等领域,在承受载荷时，呈现应力几乎不变的塑形变形过程，起到良好的吸能作用.
针对蜂窝夹芯板在冲击作用下的动力学响应，国内外学者做了许多研究.管公顺等[]研究了铝球弹丸超高速正撞击薄铝板穿孔的尺寸.何永亮[]研究了低速冲击下蜂窝夹层板损伤标识量的提取.Fleck等针对六边形蜂窝板进行了抗爆性能优化设计,并与波纹板的结果进行了对比分析[].Schonberg等[]对铝合金双层板结构在超高速撞击下的穿孔尺寸与裂纹长度进行了分析.Sawle[],Maiden等[],Nysmith等[]分别给出了铝球弹丸高速正撞击铝板穿孔直径的经验公式.Hutchinson等[, ]针对不同几何形式的夹芯层下的蜂窝夹芯板吸能效果进行了研究.但未见在蜂窝夹芯板胞元中添加颗粒后其动力学响应的研究报道.
本文应用ansys的ls-dyna模块对中速子弹撞击蜂窝夹芯板进行仿真.针对蜂窝夹芯板添加颗粒的位置与填充量来研究添加颗粒后其中速撞击下的动力学特征.通过改变蜂窝夹芯板添加颗粒的位置与填充量，比较不同填充方式下蜂窝夹芯板的位移和应力应变，判断其吸能机制，寻求最佳的填充范围与填充量.
宋延泽在研究泡沫铝子弹撞击下多孔金属夹芯板的塑性动力响应[]时，曾经用ls-dyna对撞击过程进行仿真.本文参照其仿真方法，对冲击载荷下蜂窝夹芯板的动力学响应进行研究.
1 仿真方法与内容
实验采用ansys/ls-dyna软件进行仿真数值计算，模拟子弹中速撞击蜂窝夹芯板的过程，其有限元模型见图 1.子弹与颗粒均选择实体单元SOLID164，蜂窝夹芯板选择壳单元SHELL163.
图 1(Figure 1)Fig. 1图 1 蜂窝夹芯板的有限元模型与区域划分
Fig. 1 FEM model of the panel and its regional division
蜂窝夹芯板芯层采用正六边形，边界为四边固支，考虑到颗粒在承受冲击后会产生激振，依据哈密顿原理其受迫振动的动力学方程为[]
其中f(x,y)为撞击时颗粒产生的激振力.
本文旨在研究中速冲击载荷下的蜂窝夹芯板的动力学特征，而中等速度一般在11~16 m/s，因此子弹速度取中间值，定为13 m/s.考虑到可能存在边界效应影响，蜂窝夹芯板尺寸不宜过小，因此长宽均定为0.15 m.蜂窝板与子弹之间的接触为ansys/ls-dyna 中surface to surface 的 Eording，颗粒与蜂窝板、颗粒与颗粒、子弹与颗粒间接触均选择surface to surface 中 Automatic.
蜂窝夹芯板在承受冲击载荷后，应力、应变等响应以波的形式传递.本文研究颗粒的填充范围(FR)与每个胞元中颗粒填充数目(QFP)对于蜂窝夹芯板吸能机制的影响，充分考虑有限元仿真的计算机时与其动力学响应的传播方式，最终选取蜂窝夹芯板的颗粒填充方式如表 1所示.填充颗粒后，将整体板划分为四个区域：撞击点Ⅰ,撞击点到填充区域的过渡区Ⅱ,填充区域Ⅲ,外围区域Ⅳ(见图 1).
表 1Table 1表 1(Table 1)表 1 蜂窝夹芯板的颗粒填充方式
Table 1 Methods of filling particles on honeycomb sandwich panel
填充范围(Ⅲ/Ⅲ+Ⅳ)0.20.250.33 0.5
填充颗粒数1,2,3,41,2,3,41,2,3,41,2,3,4
表 1 蜂窝夹芯板的颗粒填充方式
Table 1 Methods of filling particles on honeycomb sandwich panel
在子弹冲击载荷下，分别将蜂窝夹芯板在不同颗粒填充条件下与不填充颗粒的位移、等效应力、等效应变进行对比，找到最佳的颗粒填充范围与填充数，使得蜂窝夹芯板具有最好的能量吸收机制.
2 仿真结果与分析
比较不同区域以及整个蜂窝夹芯板在撞击下的动力学响应(图 2~图 10)，探究不同条件下蜂窝夹芯板的动力学特征，找到最优的填充区域和最合适的填充颗粒数，使得蜂窝夹芯板具有最佳的吸能机制.图示中为0.85的曲线均表示未添加颗粒的蜂窝夹芯板.
图 2(Figure 2)Fig. 2图 2 不同条件下撞击点处z方向位移
Fig. 2 z displacement under different additions at the impact point(a)—FR为0.2时不同QFP与未填充颗粒的z-t曲线； (b)—QFP为2时不同FR的z-t曲线; (c)—FR为0.2时不同QFP的z-t曲线.
图 3(Figure 3)Fig. 3图 3 不同条件下过渡区z方向位移
Fig. 3 z displacement under different additions at transitional region(a)—FR为0.2时不同QFP与未填充颗粒z-t曲线； (b)—QFP为2时不同FR的z-t曲线; (c)—FR为0.2时不同QFP的z-t曲线.
图 4(Figure 4)Fig. 4图 4 不同条件下颗粒填充区z方向位移
Fig. 4 z displacement under different additions at filling grain region(a)—FR为0.2时不同QFP与未填充颗粒z-t曲线； (b)—QFP为2时不同FR的z-t曲线; (c)—FR为0.2时不同QFP的z-t曲线.
图 5(Figure 5)Fig. 5图 5 不同条件下边缘区z方向位移
Fig. 5 z displacement under different additions at outside region(a)—FR为0.2时不同QFP与未填充颗粒z-t曲线； (b)—QFP为3时不同FR的z-t曲线; (c)—FR为0.2时不同QFP的z-t曲线.
图 6(Figure 6)Fig. 6图 6 整个蜂窝板不同条件下z方向位移
Fig. 6 z displacement under different additions at the whole honeycomb sandwich panel(a)—FR为0.2时不同QFP与未填充颗粒z-l曲线； (b)—QFP为2时不同FR的z-l曲线; (c)—FR为0.2时不同QFP的z-l曲线.
图 7(Figure 7)Fig. 7图 7 不同条件下边缘区等效应力
Fig. 7 von Mises stress under different additions at outside region(a)—FR为0.2时不同QFP与未填充颗粒σ-t曲线； (b)—QFP为2时不同FR的σ-t曲线; (c)—FR为0.2时不同QFP的σ-t曲线.
图 8(Figure 8)Fig. 8图 8 整个蜂窝板不同条件下等效应力
Fig. 8 von Mises stress under different additions at the whole honeycomb sandwich panel(a)—FR为0.2时不同QFP与未填充颗粒σ-l曲线； (b)—QFP为2时不同FR的σ-l曲线; (c)—FR为0.2时不同QFP的σ-l曲线.
图 9(Figure 9)Fig. 9图 9 不同条件下边缘区等效应变
Fig. 9 von Mises strain under different additions at outside region(a)—FR为0.2时不同QFP与未填充颗粒ε-t曲线； (b)—QFP为2时不同FR的ε-t曲线; (c)—FR为0.2时不同QFP的ε-t曲线.
图 10(Figure 10)Fig. 10图 10 整个蜂窝板不同条件下等效应变
Fig. 10 von Mises strain under different additions at the whole honeycomb sandwich panel(a)—FR为0.2时不同QFP与未填充颗粒ε-l曲线； (b)—QFP为2时不同FR的ε-l曲线; (c)—FR为0.2时不同QFP的ε-l曲线.
2.1 蜂窝夹芯板的位移响应
从图 2到图 5可以看出，蜂窝夹芯板添加颗粒后，承受冲击载荷时位移明显减小,位移降幅最低达30%，最高达80%；颗粒填充率在0.2~0.25之间时，蜂窝板的位移降幅最大；超过0.25后，随着填充率继续增大，蜂窝板位移略有增大；每个胞元填充2个颗粒数即可，再多则吸能效果无明显改善.
从图 6看，对于整个板而言，从边缘到撞击点，位移逐渐增大.添加颗粒后，蜂窝板的位移明显减小；颗粒填充率为0.2~0.25时，蜂窝板位移减小最大，吸能最好；超过0.25后随着填充率的增加，位移增大；每个胞元添加颗粒为两个时，位移最小，再多则吸能效果无明显改善.
等效应力、等效应变呈现的规律与位移一致.由于篇幅的限制，其余两种响应只写出外围区域和整个蜂窝板的响应.
2.2 蜂窝夹芯板的等效应力响应
从图 7看，添加颗粒后边缘区域最大应力减小；填充率为0.2~0.25时，最大应力较小；超过0.25后随着填充率增大，最大应力增大；每个胞元填充颗粒为两颗时，最大应力较小，再添加颗粒最大应力无明显变化.
从图 8看，对于整个板而言，添加颗粒后最大应力减小；填充率为0.2~0.25时最大应力减小幅度较大，但是在过渡区域会呈现波动；超过0.25后填充率增加，最大应力增大；每个胞元填充两个颗粒时最大应力减小最明显，再添加颗粒最大应力无明显减小.
2.3 蜂窝夹芯板的等效变形响应
从图 9看，在边缘区域，添加颗粒后，蜂窝板的等效应变减小；填充率为0.2~0.25之间，等效应变略有减小；超过0.25后，随着填充率的增大，等效应变增大；每个胞元填充两个颗粒时，等效应变较小，再添加等效应变无明显减小.
从图 10看，对于整个蜂窝板而言，添加颗粒后等效应变明显减小；填充率为0.2~0.25时，蜂窝板的等效应变较小，在过渡区域会呈现波动；超过0.25后，随着填充率的增大，蜂窝板的等效应变增大；每个胞元填充颗粒数为2时，蜂窝板的等效应变较小，再添加等效应变无明显变化.
1) 蜂窝夹芯板在填充颗粒后，承受冲击载荷时，位移、应力、应变均有显著减小，能量吸收机制显著增强.
2) 颗粒填充率为0.2~0.25时，填充颗粒下的蜂窝夹芯板具有最好的吸能效果.填充率超过0.25后，过大的填充率对蜂窝板起激振作用.
3) 每个胞元填充颗粒为两个时，填充颗粒下的蜂窝夹芯板具有最好的吸能效果.每个胞元填充颗粒超过两个，不会提高蜂窝板的吸能效果.
管公顺,庞宝君,崔乃刚,等.铝球弹丸超高速正撞击薄铝板穿孔尺寸研究[J].工程力学,):181-185. (Guan Gong-shun,Pang Bao-jun,Cui Nai-gang,et al.Size investigation of hole due to hypervelocity impact aluminum spheres on thin aluminum sheet[J]..)(1)
何永亮.低速冲击下蜂窝夹层板损伤标识量的提取研究[D].沈阳:东北大学,2011. (He Yong-liang.Study on damage detection of honeycomb sandwich plate with low velocity impact damage[D]..)(1)
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宋延泽.泡沫铝子弹撞击下多孔金属夹芯板的塑性动力响应研究[D].太原:太原理工大学,2009. (Song Yan-ze..Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2009)(1)
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本文献在全文中的定位：
夹芯板在冲击作用下的动力学响应，国内外学者做了许多研究.管公顺等[]研究了铝球弹丸超高速正撞击薄铝板穿孔的尺寸.何永亮
本文献在全文中的定位：
研究了铝球弹丸超高速正撞击薄铝板穿孔的尺寸.何永亮[]研究了低速冲击下蜂窝夹层板损伤标识量的提取.Fleck等针对六边形蜂窝
本文献在全文中的定位：
边形蜂窝板进行了抗爆性能优化设计,并与波纹板的结果进行了对比分析[].Schonberg等[]对铝合金双层板
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进行了对比分析[].Schonberg等[]对铝合金双层板结构在超高速撞击下的穿孔尺寸与裂纹长度进行了分析
本文献在全文中的定位：
合金双层板结构在超高速撞击下的穿孔尺寸与裂纹长度进行了分析.Sawle[],Maiden等[],Nysmith等
本文献在全文中的定位：
度进行了分析.Sawle[],Maiden等[],Nysmith等[]分别给出了铝球弹
本文献在全文中的定位：
Maiden等[],Nysmith等[]分别给出了铝球弹丸高速正撞击铝板穿孔直径的经验公式.Hutchinson等
本文献在全文中的定位：
分别给出了铝球弹丸高速正撞击铝板穿孔直径的经验公式.Hutchinson等[, ]针对不同几何形式的夹芯层下的蜂
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铝板穿孔直径的经验公式.Hutchinson等[, ]针对不同几何形式的夹芯层下的蜂窝夹芯板吸能效果进行了研究.但未
本文献在全文中的定位：
宋延泽在研究泡沫铝子弹撞击下多孔金属夹芯板的塑性动力响应[]时，曾经用ls-dyna对撞击过程进行仿真.本文参照其仿真方法，对冲击载
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在承受冲击后会产生激振，依据哈密顿原理其受迫振动的动力学方程为[]温馨提示！由于新浪微博认证机制调整，您的新浪微博帐号绑定已过期，请重新绑定！&&|&&
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历史上的今天
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blogTitle:'ANSYS计算中DP模型参数设置的一点体会',
blogAbstract:'&ANSYS中能用于岩土材料的模型只有DP模型。DP模型是理想弹塑性模型，理想弹塑性即应力（复杂应力情况下应该是等效应力吧）达到屈服极限以后，应力不再增大，但是应变会一直增长。&&&&ANSYS中设定DP模型需要输入3个参数，粘聚力c，内摩擦角fai，膨胀角faif，其中的膨胀角faif 是用来控制体积膨胀的大小的。在岩土工程中，一般密实的砂土和超强固结土在发生剪切的时候会出现体积膨胀，因为颗粒重新排列了；而一般的砂土或者正常固结的土体，只会发生剪缩。所以在使用DP模型的时候，对于一般的土，膨胀角faif 设置为0度是比较符合实际的。&&&&',
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In recent years, the research on the static and dynamic performance of aluminum foam sandwich panels has been carried out, but in engineering application, the foam aluminum sandwich panels are not only limited in shock absorption, but also can be used as a platform for the construction of internal loading data, and the device platform which is based on the request of foam aluminum sandwich panels. This paper is mainly to study the aluminum foam sandwich plate static characteristic and vibration characteristics, numerical imitation method of aluminum foam sandwich structure and the static and dynamic characteristics of deep analysis, with the following contents: 1. According to the new rules pass aluminum foam sandwich structure is the relationship between aluminum foam porosity and pore size, and stop the static analysis and modal analysis, discussion of the rules of porous foam aluminum core aperture and panel set equipment decoration methods and rules of porous foam aluminum sandwich panels structural mechanics characteristics. 2. Based on the finite element software ANSYS of aluminum foam sandwich panel is stop the dynamics analysis, discussion of the boundary conditions, core panel thickness, can open hole, hole shape, the number of holes and several identity of aluminum foam sandwich plate dynamics function. 3. The aluminum foam sandwich panel and aluminum, steel and other traditional metal plate separation stopped harmonic echo analysis, and separating the comparison analysis of the frequency response curve of all kinds of plate disease nodes, analysis of invention absolutely from traditional metal plate, aluminum foam sandwich panels with significant vibration damping and energy absorption function. . in view of the existing shelter proposed a new aluminum foam sandwich panel shelter situation, and application of finite element software ANSYS of aluminum foam sandwich panel shelter and traditional shelter of statics and dynamics analysis, draw the aluminum foam sandwich shelter than traditional shelter in the stiffness and strength of the mask has better mechanical performance. Initially, each chamber structure of door and window position and size and sandwich panels panel core thickness stop the static and dynamic optimization design, aluminum foam sandwich panel shelter after optimization not only improved the static and dynamic performance, also increased the shelter structure component.目录:摘要5-6ABSTRACT6-7第1章 绪论10-16&&&&1.1 课题背景及意义10-11&&&&1.2 国内外研究现状11-15&&&&&&&&1.2.1 泡沫铝夹芯板特点11&&&&&&&&1.2.2 泡沫铝夹芯板的制备与应用前景11-12&&&&&&&&1.2.3 复合材料层合板振动特性研究进展12-13&&&&&&&&1.2.4 泡沫铝建模方法13-14&&&&&&&&1.2.5 规则泡沫铝的研究现状14-15&&&&1.3 本文的主要内容15-16第2章 夹芯板的基本理论16-25&&&&2.1 引言16&&&&2.2 泡沫铝夹芯板制备方法16-18&&&&&&&&2.2.1 泡沫铝芯体的制备16-17&&&&&&&&2.2.2 泡沫铝夹芯板的制备17-18&&&&2.3 夹芯板的弯曲与振动18-24&&&&&&&&2.3.1 考虑表层抗弯刚度的夹芯板理论18-22&&&&&&&&2.3.2 夹芯板的振动理论22-24&&&&2.4 本章小结24-25第3章 规则孔型泡沫铝力学特性研究25-38&&&&3.1 引言25&&&&3.2 规则孔型泡沫铝三维实体模型的建立25-26&&&&3.3 有限元计算26-37&&&&&&&&3.3.1 静力学有限元分析27-28&&&&&&&&3.3.2 规则泡沫铝的静力学算例分析28-32&&&&&&&&3.3.3 振动有限元分析32-35&&&&&&&&3.3.4 规则泡沫铝的模态分析算例35-37&&&&3.4 本章小结37-38第4章 泡沫铝夹芯板的力学特性研究38-53&&&&4.1 引言38&&&&4.2 复合夹层板的有限元分析方法38-40&&&&&&&&4.2.1 夹层板三种建模方式的仿真结果对比39-40&&&&4.3 泡沫铝夹芯板动力学特性的 ANSYS 仿真分析40-51&&&&&&&&4.3.1 不同边界条件下泡沫铝夹芯板的动力特性40-43&&&&&&&&4.3.2 夹芯板厚度对泡沫铝夹芯板的动力特性的影响43&&&&&&&&4.3.3 开孔、开孔形状对泡沫铝夹芯板的动力特性的影响43-46&&&&&&&&4.3.4 泡沫铝夹芯板与传统金属板的谐响应分析对比46-51&&&&4.4 本章小结51-53第5章 泡沫铝夹芯板方舱的力学特性研究及优化设计53-65&&&&5.1 引言53&&&&5.2 有限元模型的建立53-55&&&&&&&&5.2.1 方舱夹层板模型的简化54&&&&&&&&5.2.2 方舱有限元模型的建立54-55&&&&5.3 有限元分析结果55-58&&&&&&&&5.3.1 静力学仿真结果分析55&&&&&&&&5.3.2 模态分析结果55-56&&&&&&&&5.3.3 纯铝方舱与泡沫铝夹芯板方舱静力分析、振动模态仿真结果对比分析56-58&&&&5.4 方舱力学性能的优化58-63&&&&&&&&5.4.1 优化设计数学模型的求解方法58-61&&&&&&&&5.4.2 方舱的静力优化设计61-62&&&&&&&&5.4.3 方舱的动力优化设计62-63&&&&5.5 本章小结63-65结论65-67参考文献67-71攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果71-72致谢72分享到：相关文献|