固~梯度面心立方结构的能量吸收与力学响应

文摘   2025-01-05 21:01   江苏  

摘要

通过使用功能梯度材料来增强轻量化结构的吸能能力,近年来引起了人们的关注。文献中板晶格的厚度分级方法仅限于离散的逐层分级,因为任何一层的厚度都是均匀的,但与其他层的厚度不同。层间的突然变化导致应力集中。本研究实现了连续的厚度分级,并研究了不同分级方案在催化裂化结构中的应用效果。研究了轴向连续厚度分级、横向连续厚度分级和轴向-横向混合连续厚度分级,以及离散的逐层单元胞尺寸分级。用尼龙材料挤压增材制造方法制造,样品以均匀结构为基准。为了进一步了解这些结构的行为,通过准静态压缩试验的Abaqus模型进行了数值研究,结果预测与实验数据吻合良好。轴向厚度分级显示出巨大的潜力,与均匀的同类材料相比,由于逐层变形,比能量吸收大幅增加了39%。相比之下,单元格尺寸分级降低了能量吸收效率,同时提高了35%的破碎力效率。横向分级法可获得较高的平均破碎力,最高可达8%。这项研究强调了采用不同的分级方法对能量吸收和机械反应的影响,为设计先进的保护系统提供了有用的信息。

研究亮点




结论

研究了不同分级工艺对面心立方(FCC)板晶格结构吸能性能和力学响应的影响。研究包括试验和数值分析以及不同分级方法的力学响应。分级方法有轴向厚度分级、横向厚度分级、双向厚度分级和轴向单元胞尺寸分级。三种厚度分级均为连续线性分级,而单元胞尺寸分级为离散逐层分级。采用H-L、H-L - h和l-H-L三种不同的方式实现轴向厚度分级。采用H-l-H侧向和l-H-L侧向两种不同的方法实现侧向厚度分级。双侧采用单一方法,即BDG和单位细胞大小分级UCSG。在比能吸收方面,轴向分级法改善效果最好,H-l-H提高39%,均匀结构提高15.1 J/g,其次是l-H- l, SEA提高23%,l-H提高20%。H-l-H的高SEA改善归功于致密化前压缩过程最后阶段的高阻力,这是由于结构上部和下部高厚度两个区域的延迟压缩。对于其他分级方法,BDG略微提高了4.7%的SEA。横向厚度分级和UCSG使SEA恶化。由于在H-l-H结构中存在一个或多个低密度层,这三种轴向分级方法使屈服应力与均匀结构相比降低了27%结构屈服于该层,且该层的厚度较后均匀结构的厚度要低。同样,由于同样的原因,BDG和UCSG也导致了屈服应力的降低。另一方面,由于高厚度区域的结构屈服比均匀结构厚,两种横向厚度分级方法均增加了屈服应力。UCSG和横向分级方法提高了破碎力效率,表明与均匀结构相比,压缩过程中的力变化更平滑。UCSG力效率的提高是由于低屈服力导致力从弹性区逐渐向高原区转变。另一方面,与均匀结构相比,起伏较小的高原地区的横向分级方法有所增强。相反,轴向分级方法和BDG降低了破碎力效率。研究结果强调了轴向厚度分级在提高FCC晶格结构的比能吸收(SEA)方面的潜在好处。观察到的提高高达39%,突出了这种方法的有效性。这些反应有助于更好地理解功能分级结构提供的潜力,为改进保护系统的设计铺平了道路,其中控制破碎力的能力至关重要。

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