兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 1497-1513.doi: 10.12382/bgxb.2022.1212
收稿日期:
2022-12-03
上线日期:
2023-04-04
通讯作者:
基金资助:
JIN Zehua1, LIU Qingyang1, MA Wenchao1, MENG Junhu1,2,*()
Received:
2022-12-03
Online:
2023-04-04
摘要:
针对跨介质飞行器入水过程中受到较大冲击载荷的问题,提出一种基于工程需求的负泊松比抗冲击结构拓扑优化设计方法,通过将弹性模量和泊松比引入拓扑优化设计的目标函数,得到满足抗冲击性能需求的负泊松比星形-四边形蜂窝(Star-quadrangular Honeycomb,SQH)结构。在建立SQH结构理论分析模型的基础上,推导冲击载荷下的平台应力解析公式,并通过数值模拟仿真进行校验。通过与星形-圆环蜂窝(Star-circle Honeycomb,SCH)等多种负泊松比结构的比吸能进行对比,得到SQH结构在低速、中速、高速冲击下的比吸能分别高于SCH结构28.74%、45.2%、7.03%。通过流固耦合仿真分析,对所设计的SQH夹层结构进行入水冲击降载研究,进一步讨论SQH夹层结构主要尺寸参数对入水冲击特性的影响。研究结果表明,在尺寸允许范围内,SQH单元倾角和单元壁厚的增大均使得结构产生的加速度峰值减小,动能转化为结构的变形能也减小,验证了用于工程需求的负泊松比结构拓扑优化设计的有效性。
中图分类号:
金泽华, 刘清洋, 马文朝, 孟军辉. 新型星形负泊松比抗冲击结构设计与入水冲击[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1497-1513.
JIN Zehua, LIU Qingyang, MA Wenchao, MENG Junhu. Design of Anti-impact Structure with Novel Star-shaped Negative Poisson’s Ratio and Research on Water-entry Impact[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(5): 1497-1513.
参数 | 数值 |
---|---|
杨氏模量/GPa | 68.2 |
密度/(kg·m-3) | 2700 |
屈服应力/MPa | 80 |
泊松比 | 0.3 |
表1 铝合金基体材料参数
Table 1 Aluminum alloy matrix material parameters
参数 | 数值 |
---|---|
杨氏模量/GPa | 68.2 |
密度/(kg·m-3) | 2700 |
屈服应力/MPa | 80 |
泊松比 | 0.3 |
冲击速度/ (m·s-1) | 平台应力/MPa | 相对误差/% | |
---|---|---|---|
理论计算 | 数值模拟 | ||
1 | 1.472 | 1.548 | -4.91 |
5 | 1.786 | 1.879 | -4.95 |
70 | 5.017 | 5.255 | -4.53 |
80 | 6.142 | 6.451 | -4.79 |
表2 SQH结构在不同冲击速度下的平台应力
Table 2 Plateau stresses of SQH structure at different impact velocities
冲击速度/ (m·s-1) | 平台应力/MPa | 相对误差/% | |
---|---|---|---|
理论计算 | 数值模拟 | ||
1 | 1.472 | 1.548 | -4.91 |
5 | 1.786 | 1.879 | -4.95 |
70 | 5.017 | 5.255 | -4.53 |
80 | 6.142 | 6.451 | -4.79 |
冲击速度/ (m·s-1) | 冲击比吸能 | ||
---|---|---|---|
UM-SQH/ (kJ·kg-1) | UM-SCH/ (kJ·kg-1) | (UM-SQH-UM-SCH)/ UM-SCH/% | |
1 | 1.904 | 1.479 | 28.74 |
30 | 5.666 | 3.907 | 45.02 |
100 | 12.551 | 11.727 | 7.03 |
表3 SQH结构与SCH结构比吸能的比较
Table 3 Comparison of SEAs of SQH structure and SCH structure
冲击速度/ (m·s-1) | 冲击比吸能 | ||
---|---|---|---|
UM-SQH/ (kJ·kg-1) | UM-SCH/ (kJ·kg-1) | (UM-SQH-UM-SCH)/ UM-SCH/% | |
1 | 1.904 | 1.479 | 28.74 |
30 | 5.666 | 3.907 | 45.02 |
100 | 12.551 | 11.727 | 7.03 |
冲击比吸能 | UM-SQH/ (kJ·kg-1) | UM-SSH/ (kJ·kg-1) | UM-SAH/ (kJ·kg-1) | UM-STH/ (kJ·kg-1) | UM-RSH/ (kJ·kg-1) | UM-SH/ (kJ·kg-1) | UM-RH/ (kJ·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
低速/(1m·s-1) | 1.904 | 0.682 | 0.584 | 1.104 | 0.427 | 0.526 | 0.233 |
中速/(30m·s-1) | 5.666 | 1.508 | 0.612 | 1.619 | 0.560 | 0.831 | 0.334 |
高速/(100m·s-1) | 12.551 | 10.914 | 1.690 | 10.821 | 4.349 | 10.146 | 2.642 |
表4 SQH与其他负泊松比结构比吸能的比较
Table 4 Comparison of SEAs of SQH structure and other structures with negative Poisson’s ratio
冲击比吸能 | UM-SQH/ (kJ·kg-1) | UM-SSH/ (kJ·kg-1) | UM-SAH/ (kJ·kg-1) | UM-STH/ (kJ·kg-1) | UM-RSH/ (kJ·kg-1) | UM-SH/ (kJ·kg-1) | UM-RH/ (kJ·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
低速/(1m·s-1) | 1.904 | 0.682 | 0.584 | 1.104 | 0.427 | 0.526 | 0.233 |
中速/(30m·s-1) | 5.666 | 1.508 | 0.612 | 1.619 | 0.560 | 0.831 | 0.334 |
高速/(100m·s-1) | 12.551 | 10.914 | 1.690 | 10.821 | 4.349 | 10.146 | 2.642 |
材料 | ρ/(kg·m-3) | 动力黏度μ/(Pa·s) |
---|---|---|
空气 | 1.29 | 1.79×10-5 |
水 | 103 | 1.01×10-3 |
表5 空气与水的材料参数
Table 5 Material parameters of air and water
材料 | ρ/(kg·m-3) | 动力黏度μ/(Pa·s) |
---|---|---|
空气 | 1.29 | 1.79×10-5 |
水 | 103 | 1.01×10-3 |
参数 | 数值 |
---|---|
l1/mm | 2.6 |
l2/mm | 2.0 |
l3/mm | 3.1 |
l4/mm | 3.2 |
t/mm | 0.3 |
α/(°) | 45 |
θ1/(°) | 20 |
θ2/(°) | 22.5 |
L0/mm | 9.7 |
H0/mm | 9.7 |
表6 SQH夹层结构单胞尺寸
Table 6 SQH sandwich structure unit cell size
参数 | 数值 |
---|---|
l1/mm | 2.6 |
l2/mm | 2.0 |
l3/mm | 3.1 |
l4/mm | 3.2 |
t/mm | 0.3 |
α/(°) | 45 |
θ1/(°) | 20 |
θ2/(°) | 22.5 |
L0/mm | 9.7 |
H0/mm | 9.7 |
[1] |
李宜果, 王聪, 武雨嫣, 等. 跨介质航行体高速入水空泡壁面运动特性[J]. 兵工学报, 2022, 43(3):574-585.
doi: 10.12382/bgxb.2021.0145 |
doi: 10.12382/bgxb.2021.0145 |
|
[2] |
袁绪龙, 栗敏, 丁旭拓, 等. 跨介质航行器高速入水冲击载荷特性[J]. 兵工学报, 2021, 42(7): 1440-1449.
|
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.07.011 |
|
[3] |
王浩宇, 李木易, 程少华, 等. 航行体高速入水问题研究综述[J]. 宇航总体技术, 2021, 5(3):65-70.
|
|
|
[4] |
杨丽娟. 负刚度梁蜂窝结构的吸能与隔振特性研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2021:4-7.
|
|
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
任毅如, 蒋宏勇, 金其多, 等. 仿生负泊松比拉胀内凹蜂窝结构耐撞性[J]. 航空学报, 2021, 42(3):314-324.
|
|
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
李想, 严子铭, 柳占立, 等. 基于仿真和数据驱动的先进结构材料设计[J]. 力学进展, 2021, 51(1):82-105.
|
|
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
秦浩星, 杨德庆. 任意负泊松比超材料结构设计的功能基元拓扑优化法[J]. 复合材料学报, 2018, 35(4):1014-1023.
|
|
|
[17] |
杜义贤, 李荣, 徐明, 等. 负泊松比微结构拓扑优化设计[J]. 工程设计学报, 2018, 25(4): 450-456.
doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2018.04.012 |
|
|
[18] |
刘宇, 郝琪, 田钰楠, 等. 负泊松比基元蜂窝结构研究[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(10):1629-1635.
|
|
|
[19] |
薛丁川. 基于拓扑优化方法的微观结构设计[D]. 大连: 大连理工大学, 2019:3-5.
|
|
|
[20] |
卢子兴, 武文博. 基于旋转三角形模型的负泊松比蜂窝材料面内动态压溃行为数值模拟[J]. 兵工学报, 2018, 39(1):153-160.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2018.01.017 |
|
|
[21] |
马芳武, 梁鸿宇, 赵颖, 等. 内凹三角形负泊松比材料的面内冲击动力学性能[J]. 振动与冲击, 2019, 38(17): 81-87.
|
|
|
[22] |
张会凯. 拓扑优化方法的力学超材料设计[D]. 大连: 大连理工大学, 2019: 6-11.
|
|
|
[23] |
|
[24] |
|
[25] |
沈振峰, 张新春, 白江畔, 等. 负泊松比内凹环形蜂窝结构的冲击响应特性研究[J]. 振动与冲击, 2020, 39(18):89-95.
|
|
|
[26] |
|
[27] |
|
[28] |
|
[29] |
胡锦顺, 林永水, 陈威, 等. 改进星形蜂窝结构面内动力学响应及能量吸收特性研究[J]. 振动与冲击, 2022, 41(23):119-128.
|
|
|
[30] |
魏海鹏, 史崇镔, 孙铁志, 等. 基于ALE方法的航行体高速入水缓冲降载性能数值研究[J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(10):115-126.
|
|
|
[31] |
孙华. 弹塑性结构入水冲击问题研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2018:25-32.
|
|
|
[32] |
桂蜀旺. 高速弹体入水冲击过程流固耦合分析[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2020:8-16.
|
|
|
[33] |
马文朝, 孟繁敏, 马诺, 等. 跨介质飞行器头部外形优化及入水性能分析[J]. 兵工学报, 2022, 43(10):2588-2597.
|
doi: 10.12382/bgxb.2021.0538 |
|
[34] |
郝马帅. 结构高速入水仿真模拟及其防护研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2020: 27-39.
|
|
|
[35] |
黄靖. 汽车碰撞过程中加速度特征对乘员损伤的影响分析[D]. 大连: 大连理工大学, 2009: 8-11.
|
|
[1] | 刘彦, 王百川, 闫俊伯, 闫子辰, 时振清, 黄风雷. 侵彻作用下负泊松比蜂窝夹芯结构动态响应[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 1938-1953. |
[2] | 李泽昊, 徐文龙, 王成, 贾时雨, 穴胜鹏, 马东. 气凝胶夹芯结构冲击吸能实验研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(3): 682-690. |
[3] | 牛草, 顾广鑫, 朱磊, 徐宏斌, 李正宇, 张卫红, 陈永伟, 王博, 石建雄, 李一哲. 车载导弹发射架结构有限元分析与拓扑优化设计[J]. 兵工学报, 2023, 44(2): 437-451. |
[4] | 田北晨, 刘涛涛, 吴钦, 黄彪. 跨介质飞行器触水滑跳运动特性数值模拟[J]. 兵工学报, 2022, 43(3): 586-598. |
[5] | 马文朝, 孟繁敏, 马诺, 孟军辉, 邹汝平. 跨介质飞行器头部外形优化及入水性能分析[J]. 兵工学报, 2022, 43(10): 2588-2597. |
[6] | 卢子兴, 武文博. 基于旋转三角形模型的负泊松比蜂窝材料面内动态压溃行为数值模拟[J]. 兵工学报, 2018, 39(1): 153-160. |
[7] | 姜缪文, 闫健卓, 陈继民. 基于拓扑优化技术的军用头盔内胆结构三维打印[J]. 兵工学报, 2017, 38(9): 1845-1853. |
[8] | 温晶晶, 吴斌, 刘承骛. 导弹整体式翼面骨架结构的拓扑优化设计[J]. 兵工学报, 2017, 38(1): 81-88. |
[9] | 楼俐, 范建华, 徐诚. 基于局部稳定性测度的战术移动自组织网络拓扑优化抗干扰技术研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(9): 1662-1669. |
[10] | 张建, 唐文献, 徐省省, 彭松江, 张攀. 火炮炮闩抽筒子结构优化设计[J]. 兵工学报, 2012, 33(6): 647-651. |
[11] | 孙全兆, 杨国来, 葛建立. 某火炮上架结构改进设计[J]. 兵工学报, 2012, 33(11): 1281-1285. |
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