兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (3): 876-885.doi: 10.12382/bgxb.2021.0732
陈升辉(), 郭彦峰(), 付云岗(), 马小茭(), 秦芳()
收稿日期:
2021-11-01
上线日期:
2022-07-04
作者简介:
陈升辉(1995—),男,硕士研究生,研究方向为缓冲吸能结构与性能。E-mail:1214575655@qq.com; |
付云岗(1981—),男,硕士研究生,研究方向为缓冲包装动力学、缓冲吸能结构与性能。E-mail:fygpack@xaut.edu.cn;
马小茭(1997—),女,硕士研究生,研究方向为缓冲吸能结构与性能。E-mail:710621078@qq.com;
秦芳(1987—),女,硕士研究生,研究方向为缓冲吸能结构与性能。E-mail:qinfang0701@163.com
基金资助:
CHEN Shenghui(), GUO Yanfeng(), FU Yungang(), MA Xiaojiao(), QIN Fang()
Received:
2021-11-01
Online:
2022-07-04
摘要:
纸瓦楞夹层管为耐撞性问题提供了一种新思路。针对由聚乙烯泡沫对纸瓦楞夹层双管的双填充构型,利用轴向跌落冲击对比试验和参数化分析,重点研究这种四层复合材料管的缓冲吸能特性以及结构和冲击参数的影响。研究结果表明:双填充X轴方向瓦楞夹层双管的塑性平台区明显长于双填充Y轴方向双管,其吸能效果优于双填充Y轴方向双管;随着管横截面边数的增加,双填充双管的比吸能、单位体积吸能、比总体效率、平均压溃应力都下降;随着落锤质量的增加,双填充双管的缓冲吸能特性都递增;管长比为3.0时,双填充X轴方向正五边形双管的总吸能和比吸能分别比正六边形管提高了15.6%和48.8%,而双填充Y轴方向双管分别提高了14.4%和47.9%;管长比为2.2的双填充双管的初始峰值应力高于管长比为1.4和3.0的双填充双管,抗冲击性能更好。
陈升辉, 郭彦峰, 付云岗, 马小茭, 秦芳. 一种横截面为正五/六边形的四层复合材料管轴向冲击吸能研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(3): 876-885.
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结构参数 | 冲击参数 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
管方向 | 横截面边数 | 外管的管长比 | 外管横截面边长/mm | 泡沫填充层的厚度/mm | 管长度/mm | 跌落高度DH/cm | 落锤质量W/kg |
X轴、 Y轴 | 5, 6 | 1.4, 2.2, 3.0 | 50 | 10 | 70, 110, 150 | 30, 50, 70 | 7.0, 9.125, 11.275, 4.55 |
表1 试样结构和跌落冲击参数
Table 1 Structual parameters of each sample and drop impact
结构参数 | 冲击参数 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
管方向 | 横截面边数 | 外管的管长比 | 外管横截面边长/mm | 泡沫填充层的厚度/mm | 管长度/mm | 跌落高度DH/cm | 落锤质量W/kg |
X轴、 Y轴 | 5, 6 | 1.4, 2.2, 3.0 | 50 | 10 | 70, 110, 150 | 30, 50, 70 | 7.0, 9.125, 11.275, 4.55 |
冲击 条件 | CT5X-2.2-DD | CT5Y-2.2-DD | CT5X-3.0-DD | CT5Y-3.0-DD | CT6X-2.2-DD | CT6Y-2.2-DD | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Gm/g | τ/ms | Gm/g | τ/ms | Gm/g | τ/ms | Gm/g | τ/ms | Gm/g | τ/ms | Gm/g | τ/ms | |
DH1W1 | 31.69 | 17.19 | 119.02 | 8.65 | 40.30 | 16.49 | 116.18 | 6.82 | 31.91 | 17.67 | 154.01 | 5.45 |
DH1W3 | 24.63 | 28.82 | 89.26 | 9.56 | 27.71 | 23.48 | 95.58 | 8.51 | 32.34 | 35.08 | 95.39 | 7.75 |
DH2W1 | 35.10 | 23.99 | 130.69 | 7.48 | 34.07 | 23.08 | 133.18 | 7.16 | 48.04 | 18.99 | 129.62 | 6.67 |
DH2W3 | 30.64 | 30.78 | 86.30 | 8.62 | 27.34 | 30.67 | 75.62 | 9.73 | 32.11 | 26.02 | 104.84 | 8.23 |
DH3W1 | 38.04 | 21.67 | 112.04 | 10.19 | 54.57 | 27.82 | 124.71 | 7.58 | 52.01 | 20.83 | 135.29 | 7.48 |
DH3W3 | 27.80 | 37.23 | 100.83 | 10.15 | 25.88 | 31.14 | 82.55 | 11.22 | 34.44 | 36.02 | 104.37 | 10.77 |
表2 跌落冲击响应结果
Table 2 Responses to different drop impacts
冲击 条件 | CT5X-2.2-DD | CT5Y-2.2-DD | CT5X-3.0-DD | CT5Y-3.0-DD | CT6X-2.2-DD | CT6Y-2.2-DD | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Gm/g | τ/ms | Gm/g | τ/ms | Gm/g | τ/ms | Gm/g | τ/ms | Gm/g | τ/ms | Gm/g | τ/ms | |
DH1W1 | 31.69 | 17.19 | 119.02 | 8.65 | 40.30 | 16.49 | 116.18 | 6.82 | 31.91 | 17.67 | 154.01 | 5.45 |
DH1W3 | 24.63 | 28.82 | 89.26 | 9.56 | 27.71 | 23.48 | 95.58 | 8.51 | 32.34 | 35.08 | 95.39 | 7.75 |
DH2W1 | 35.10 | 23.99 | 130.69 | 7.48 | 34.07 | 23.08 | 133.18 | 7.16 | 48.04 | 18.99 | 129.62 | 6.67 |
DH2W3 | 30.64 | 30.78 | 86.30 | 8.62 | 27.34 | 30.67 | 75.62 | 9.73 | 32.11 | 26.02 | 104.84 | 8.23 |
DH3W1 | 38.04 | 21.67 | 112.04 | 10.19 | 54.57 | 27.82 | 124.71 | 7.58 | 52.01 | 20.83 | 135.29 | 7.48 |
DH3W3 | 27.80 | 37.23 | 100.83 | 10.15 | 25.88 | 31.14 | 82.55 | 11.22 | 34.44 | 36.02 | 104.37 | 10.77 |
试样类型 | E/J | SEA/(J•g-1) | STE/kg-1 | e(/J•cm-3) | σmax/MPa | σm/MPa | CFE/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
CT5X-2.2-DD-50/14.55 | 121.20 | 1.94 | 5.26 | 0.17 | 0.50 | 0.42 | 83.31 |
CT5Y-2.2-DD-50/14.55 | 102.69 | 1.54 | 1.47 | 0.14 | 1.43 | 1.54 | 107.40 |
CT5X-3.0-DD-70/14.55 | 181.23 | 2.13 | 3.03 | 0.18 | 0.70 | 0.43 | 61.00 |
CT5Y-3.0-DD-70/14.55 | 145.11 | 1.727 | 1.46 | 0.15 | 1.18 | 1.23 | 104.00 |
表3 不同管方向的缓冲吸能特性比较
Table 3 Comparison of energy absorption characteristics of X-direction and Y-direction tubes
试样类型 | E/J | SEA/(J•g-1) | STE/kg-1 | e(/J•cm-3) | σmax/MPa | σm/MPa | CFE/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
CT5X-2.2-DD-50/14.55 | 121.20 | 1.94 | 5.26 | 0.17 | 0.50 | 0.42 | 83.31 |
CT5Y-2.2-DD-50/14.55 | 102.69 | 1.54 | 1.47 | 0.14 | 1.43 | 1.54 | 107.40 |
CT5X-3.0-DD-70/14.55 | 181.23 | 2.13 | 3.03 | 0.18 | 0.70 | 0.43 | 61.00 |
CT5Y-3.0-DD-70/14.55 | 145.11 | 1.727 | 1.46 | 0.15 | 1.18 | 1.23 | 104.00 |
试样类型 | E/J | SEA(J•g-1) | STE/kg-1 | e(J•cm-3) | σmax/MPa | σm/MPa | CFE/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
CT5X-2.2-DD-70/11.275 | 117.13 | 1.87 | 6.85 | 0.16 | 0.37 | 0.37 | 97.91 |
CT6X-2.2-DD-70/11.275 | 111.87 | 1.39 | 3.81 | 0.11 | 0.36 | 0.33 | 90.90 |
CT5Y-2.2-DD-70/11.275 | 99.39 | 1.49 | 1.22 | 0.14 | 1.67 | 1.33 | 80.01 |
CT6Y-2.2-DD-70/11.275 | 106.55 | 1.34 | 1.19 | 0.11 | 1.10 | 1.01 | 91.90 |
表4 不同管横截面形状的缓冲吸能特性对比
Table 4 Comparison of energy characteristics of tubes with different cross-section shapes
试样类型 | E/J | SEA(J•g-1) | STE/kg-1 | e(J•cm-3) | σmax/MPa | σm/MPa | CFE/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
CT5X-2.2-DD-70/11.275 | 117.13 | 1.87 | 6.85 | 0.16 | 0.37 | 0.37 | 97.91 |
CT6X-2.2-DD-70/11.275 | 111.87 | 1.39 | 3.81 | 0.11 | 0.36 | 0.33 | 90.90 |
CT5Y-2.2-DD-70/11.275 | 99.39 | 1.49 | 1.22 | 0.14 | 1.67 | 1.33 | 80.01 |
CT6Y-2.2-DD-70/11.275 | 106.55 | 1.34 | 1.19 | 0.11 | 1.10 | 1.01 | 91.90 |
管长比 | 试样类型 | E/J | SEA/(J•g-1) | STE/kg-1 | e/(J•cm-3) | σmax/MPa | σm/MPa | CFE/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1.4 | CT5X-1.4-DD-70/14.55 | 135.19 | 3.30 | 12.03 | 0.29 | 0.59 | 0.50 | 84.60 |
2.2 | CT5X-2.2-DD-70/14.55 | 176.48 | 2.82 | 5.33 | 0.24 | 0.72 | 0.46 | 63.91 |
3.0 | CT5X-3.0-DD-70/14.55 | 181.23 | 2.13 | 3.03 | 0.18 | 0.70 | 0.43 | 61.02 |
1.4 | CT5Y-1.4-DD-70/14.55 | 158.43 | 3.90 | 5.05 | 0.34 | 1.65 | 1.35 | 81.81 |
2.2 | CT5Y-2.2-DD-70/14.55 | 170.91 | 2.57 | 1.90 | 0.23 | 1.84 | 1.34 | 73.02 |
3.0 | CT5Y-3.0-DD-70/14.55 | 185.11 | 1.73 | 1.46 | 0.15 | 1.18 | 1.23 | 103.90 |
1.4 | CT5X-1.4-DD-50/14.55 | 121.78 | 2.97 | 9.79 | 0.26 | 0.65 | 0.51 | 78.73 |
2.2 | CT5X-2.2-DD-50/14.55 | 128.55 | 2.06 | 5.58 | 0.17 | 0.50 | 0.42 | 83.31 |
3.0 | CT5X-3.0-DD-50/14.55 | 133.51 | 1.57 | 2.99 | 0.13 | 0.52 | 0.48 | 92.31 |
1.4 | CT5Y-1.4-DD-50/14.55 | 113.81 | 2.80 | 3.53 | 0.24 | 1.69 | 1.39 | 81.90 |
2.2 | CT5Y-2.2-DD-50/14.55 | 117.39 | 1.76 | 1.67 | 15.97 | 1.42 | 1.53 | 107.43 |
3.0 | CT5Y-3.0-DD-50/14.55 | 120.02 | 1.42 | 1.11 | 0.12 | 1.28 | 1.37 | 107.09 |
表5 不同管长比的缓冲吸能特性比较
Table 5 Comparison of energy absorption of tubes with different tube length ratios
管长比 | 试样类型 | E/J | SEA/(J•g-1) | STE/kg-1 | e/(J•cm-3) | σmax/MPa | σm/MPa | CFE/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1.4 | CT5X-1.4-DD-70/14.55 | 135.19 | 3.30 | 12.03 | 0.29 | 0.59 | 0.50 | 84.60 |
2.2 | CT5X-2.2-DD-70/14.55 | 176.48 | 2.82 | 5.33 | 0.24 | 0.72 | 0.46 | 63.91 |
3.0 | CT5X-3.0-DD-70/14.55 | 181.23 | 2.13 | 3.03 | 0.18 | 0.70 | 0.43 | 61.02 |
1.4 | CT5Y-1.4-DD-70/14.55 | 158.43 | 3.90 | 5.05 | 0.34 | 1.65 | 1.35 | 81.81 |
2.2 | CT5Y-2.2-DD-70/14.55 | 170.91 | 2.57 | 1.90 | 0.23 | 1.84 | 1.34 | 73.02 |
3.0 | CT5Y-3.0-DD-70/14.55 | 185.11 | 1.73 | 1.46 | 0.15 | 1.18 | 1.23 | 103.90 |
1.4 | CT5X-1.4-DD-50/14.55 | 121.78 | 2.97 | 9.79 | 0.26 | 0.65 | 0.51 | 78.73 |
2.2 | CT5X-2.2-DD-50/14.55 | 128.55 | 2.06 | 5.58 | 0.17 | 0.50 | 0.42 | 83.31 |
3.0 | CT5X-3.0-DD-50/14.55 | 133.51 | 1.57 | 2.99 | 0.13 | 0.52 | 0.48 | 92.31 |
1.4 | CT5Y-1.4-DD-50/14.55 | 113.81 | 2.80 | 3.53 | 0.24 | 1.69 | 1.39 | 81.90 |
2.2 | CT5Y-2.2-DD-50/14.55 | 117.39 | 1.76 | 1.67 | 15.97 | 1.42 | 1.53 | 107.43 |
3.0 | CT5Y-3.0-DD-50/14.55 | 120.02 | 1.42 | 1.11 | 0.12 | 1.28 | 1.37 | 107.09 |
试样类型 | E/J | SEA/ (J•g-1) | σmax/MPa | σm/MPa | CFE/% |
---|---|---|---|---|---|
CT5X-2.2-ET-50/11.275 | 54.12 | 1.53 | 0.31 | 0.31 | 98.10 |
CT5X-2.2-SF-50/11.275 | 23.84 | 0.48 | 0.23 | 0.19 | 81.10 |
CT5X-2.2-DS-50/11.275 | 70.98 | 1.17 | 0.52 | 0.39 | 74.91 |
CT5X-2.2-DD-50/11.275 | 83.64 | 1.34 | 0.51 | 0.37 | 72.51 |
CT5Y-2.2-ET-50/11.275 | 42.64 | 1.20 | 1.38 | 0.91 | 65.70 |
CT5Y-2.2-SF-50/11.275 | 17.56 | 0.34 | 0.69 | 0.56 | 80.62 |
CT5Y-2.2-DS-50/11.275 | 72.38 | 1.19 | 2.19 | 1.36 | 62.01 |
CT5Y-2.2-DD-50/11.275 | 78.06 | 1.02 | 1.30 | 1.27 | 97.81 |
表6 不同填充方式的跌落冲击缓冲吸能特性比较
Table 6 Comparison of energy absorption of tubes using different filling patterns
试样类型 | E/J | SEA/ (J•g-1) | σmax/MPa | σm/MPa | CFE/% |
---|---|---|---|---|---|
CT5X-2.2-ET-50/11.275 | 54.12 | 1.53 | 0.31 | 0.31 | 98.10 |
CT5X-2.2-SF-50/11.275 | 23.84 | 0.48 | 0.23 | 0.19 | 81.10 |
CT5X-2.2-DS-50/11.275 | 70.98 | 1.17 | 0.52 | 0.39 | 74.91 |
CT5X-2.2-DD-50/11.275 | 83.64 | 1.34 | 0.51 | 0.37 | 72.51 |
CT5Y-2.2-ET-50/11.275 | 42.64 | 1.20 | 1.38 | 0.91 | 65.70 |
CT5Y-2.2-SF-50/11.275 | 17.56 | 0.34 | 0.69 | 0.56 | 80.62 |
CT5Y-2.2-DS-50/11.275 | 72.38 | 1.19 | 2.19 | 1.36 | 62.01 |
CT5Y-2.2-DD-50/11.275 | 78.06 | 1.02 | 1.30 | 1.27 | 97.81 |
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