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自锁模块化应急吸能防护超结构设计与优化

批准号:
12102490
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
杨奎坚
依托单位:
学科分类:
冲击动力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨奎坚

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
为满足飞行器紧急着陆、赛车急转弯侧翻、雨后山体滑坡等突发冲击事故的紧急防护需求,新一代抗冲击吸能结构需要兼具良好的吸能性能和广泛的应急功能,这对力学设计和性能预测提出了新的挑战。研究表明,模块化设计为超结构实现特有功能提供了有效的解决思路,而超结构的吸能性能主要取决于微结构的性能。因此,本项目拟发展“微结构-模块-超结构”多层级模块化设计策略,以自锁性设计为基础,研发组装无需约束、排布方式自由、性能调控灵活的应急吸能防护超结构;然后,推导微结构本构关系解析解和超结构变形模式间临界理论判据,完善吸能性能评价体系并构造各性能指标目标函数,结合多目标优化决策分析建立相对客观的吸能性能评价准则,指导微结构优化分析;最后,开展性能测试和功能验证,总结应用于实际防护工程的设计及优化流程。本项目研究成果能够应用于冲击防护结构的性能预测和设计优化,并为多功能材料与结构的相关研究提供理论支撑和设计工具。
英文摘要
In order to meet the emergency protection demands of sudden impact accidents such as emergency landing of aircrafts, rollover of racing cars during sharp turns and landslides after heavy rain, the new generation of impact-resistant energy-absorbing structures requires both favorable energy absorption properties and extensive functions to respond to emergencies, which poses new challenges to mechanical design and performance prediction. It is shown that the modular design provides an effective solution for metastructures to achieve specific functions, whereas the energy absorption properties of metastructures are mainly determined by microstructural properties. Therefore, this project intends to develop a multi-level and modular design strategy of “microstructure -module -metastructure”, so as to develop the energy-absorbing protective metastructure to respond to emergencies. The design of the metastructure is aiming at assembly process without applying constraints, free configuration modes and flexible performance adjustments, and the related research work is based on the design of self-locking capability. Then, the analytical solutions of constitutive relations of the microstructure and the theoretical criteria to determine the deformation mode of the metastructure will be derived, and the energy-absorbing behavior evaluation system will be improved. In this way, the objective functions of all energy-absorbing indicators can be derived, and a comparatively objective evaluation criterion can be established to guide the optimization analysis of microstructures, which is based on multi-objective optimization decision analysis. Finally, the energy absorption properties and the emergency functions of the proposed metastructure will be tested, and a guideline will be provided on the design and optimization of the modular metastructure in practical protective projects. The research results of this project can be applied to the property prediction and optimal design of shock absorbent protective devices, and also provide theoretical support and design tools for the related researches of multi-functional materials and structures.
抗冲击材料与结构在航空航天、军事国防、交通运输等工程领域应用广泛,长期以来一直是世界强国科技创新与成果转化的重点。随着突发冲击事故爆发频率和破坏能力的提高,人们对抗冲击防护装置不断提出更高的设计要求,希望在改善力学性能的同时,使其兼具灵活性和可调控性,以适应错综复杂的载荷环境和防护需求。然而,现有一体化抗冲击设备一旦制备成型,便难以调控力学性能和几何特征,且在冲击载荷下会产生尖锐的初始应力峰值;此外,大型防护工程所需抗冲击设备往往体积和重量较大,加工、运输、贮存和组装不便,且会受到加工设备尺寸的限制。为此,本项目致力于发展“微结构-模块-超结构”多层级模块化设计策略,研发组装无需约束、排布方式自由、性能调控灵活的应急吸能超结构,开展微结构优化分析以提高超结构的综合吸能性能,并通过性能测试和功能验证,总结在实际防护工程中的设计优化流程,具体成果主要如下:首先,研发仿竹可调控模块化抗冲击超结构,比吸能比等质量传统自锁结构提高了约一倍,具备组装便利性、自锁性、鲁棒性和随机排布性,并建立理论模型预测出仿竹超结构在压缩载荷下的力-位移曲线;其次,研发仿鲁班锁模块化抗冲击超结构,实现力学高效性的同时具备灵活性、可调控性和适应性,在增强设计下能够实现接近等质量六边形蜂窝的面外承载水平,并通过简化构型来提高组装便利性;然后,为了兼顾力学高效性和性能可调控性,基于金属塑性变形耗能机制总结出灵活、高效、可定制的防护结构设计策略,并通过仿风车抗冲击超结构来证实该策略的有效性和通用性;最后,将模块化策略应用于蜂窝结构,基于模块化正向手性设计实现局部压扭耦合效应,或基于模块化反相设计实现增强效应,并受墨鱼骨启发设置刚度梯度来提高材料利用率和承载能力,削弱冲击峰值应力同时明显提高了平台应力。本项目研究成果为改善抗冲击防护设备的综合性能提供了解决方案,并有效提升了模块化材料与结构的研发效率和工程潜能。
三维曲壁同相/混合相手性蜂窝的设计与动态力学行为研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    15.0万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    杨奎坚
  • 依托单位:
国内基金
海外基金