TPU蜂窝结构压缩及吸能特性研究_章娅菲.pdf

第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:章娅菲,闵世威,王海涛,等.TPU 蜂窝结构压缩及吸能特性研究 J.塑性工程学报,2023,30(3):113-122.ZHANG Yafei,MIN Shiwei,WANG Haitao,et al.Study on compression and energy absorption characteristics of TPU honeycomb structure J.Journal of Plasticity Engi-neering,2023,30(3):113-122.基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(51974246);陕西省人才推进计划-青年科技新星项目(2021KJXX-40)通信作者:窦益华,男,1964 年生,博士,教授,主要从事高温高压深井及非常规储层、储气库井试油、射孔、储层改造、完井投产作业过程中的井筒与管柱完整性评价及其控制技术研究,E-mail:yhdou 第一作者:章娅菲,女,1986 年生,博士,副教授,主要从事纳米流控系统能量吸收/转换、井筒完整性评价与控制研究,E-mail:effyzhang 收稿日期:2022-11-03;修订日期:2022-12-19TPU 蜂窝结构压缩及吸能特性研究章娅菲1,2,闵世威1,2,王海涛1,2,梁经纬1,2,窦益华1,2(1.西安石油大学 机械工程学院,陕西 西安 710000;2.西安市高难度复杂油气井完整性评价重点实验室,陕西 西安 710000)摘 要:为了解 TPU 蜂窝结构的力学特性,采用增材制造技术制备了不同胞元参数的蜂窝结构,进行了压缩试验,并在此基础上建立了 TPU 蜂窝结构有限元仿真模型,开展了动态仿真模拟研究。结果表明,TPU 蜂窝结构在面外压缩过程中经历线弹性、平台区和密实化 3 个阶段,压缩速度越大,平台区越短。而其在面内压缩下,无明显的线弹性阶段,压缩速度对其变形模式的影响也较小。无论是面内压缩还是面外压缩,壁厚边长比对 TPU 蜂窝结构的平均平台应力和比吸能的影响远大于胞元扩展角对其的影响。在压缩进入密实化阶段前,蜂窝结构比吸能随压缩速度的增大而增大。面内压缩时,蜂窝结构比内能基本不受加载速率的影响,比吸能的增大由比动能的增量贡献。面外压缩时,蜂窝结构受惯性效应影响明显,压缩过程中出现局部密实化,蜂窝结构的比动能和比内能都显著增大。关键词:TPU;蜂窝结构;动力学;能量吸收中图分类号:TB34 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0113-10doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.016Study on compression and energy absorption characteristics of TPU honeycomb structureZHANG Ya-fei1,2,MIN Shi-wei1,2,WANG Hai-tao1,2,LIANG Jing-wei1,2,DOU Yi-hua1,2(1.Mechanical Engineering College,Xian Shiyou University,Xian 710000,China;2.Xian Key Laboratory of Wellbore Integrity Evaluation,Xian 710000,China)Abstract:To understand the mechanical properties of TPU honeycomb structure,the honeycomb structure with different cell parameters was prepared by additive manufacturing technology and the compression test was carried out.On this basis,the finite element simulation model of TPU honeycomb structure was established and the dynamic simulation study was carried out.The results show that the out-of-plane compression process of TPU honeycomb structure goes through three stages of linear elasticity,plateau area and compaction.The larger the compression speed is,the shorter the plateau area is.Under in-plane compression,there is no obvious linear elastic stage,and the compression velocity has little influence on the deformation mode.Regardless of in-plane compression or out-of-plane compression,the effect of wall thickness to side length ratio on the average plateau stress and specific energy absorption of TPU honeycomb structure is much greater than that of cell expansion angle.The specific energy absorption of honeycomb structure increases with the increase of com-pression speed before the compaction stage.Under the in-plane compression,the specific internal energy of honeycomb structure is not af-fected by the loading rate.The increase of specific energy absorption is contributed by the increase of specific kinetic energy.Under the out-of-plane compression,the honeycomb structure is obviously affected by the inertia effect.Local compaction occurs during the compres-sion process,and the specific kinetic energy and specific internal energy of the honeycomb structure increase significantly.Key words:TPU;cellular structure;dynamics;energy absorption 引言蜂窝材料在断裂韧性、抗冲击性、散热、减振和降噪等方面性能优异,被广泛应用于建筑、汽车、铁路车辆、船舶、航空航天、卫星、包装、电子通信、电化学、纳米制造和医疗植入物等方面1。力学性能的研究是蜂窝结构设计和优化的重要基础,更是科学研究内容向工程实践转化的关键。根据荷载位移、荷载位置和荷载速度的不同,蜂窝结构的力学行为可分为弹性和塑性响应、静态/准静态和动态响应、面内和面外响应以及轴向和斜向响应2-3。静态力学性能是相对于动态力学性能,即交变载荷和高速载荷来说的,主要包括强度、硬度和塑性等指标。KYRIAKIDES S 等4-5采用实验和仿真模拟探究了蜂窝结构面内准静态压缩载荷作用下的变形特征,并将蜂窝结构整体压溃后产生的应力-应变曲线分为弹性区域、平台区域和密实区域 3 部分。AMINANDA Y 等6对不同材料蜂窝结构在压缩载荷下的弹性变形和塑性坍塌机理进行了探究,发现在坍塌过程中不同材料的蜂窝表现出相似的载荷-位移曲线。WANG Z等7基于最小能量原理,提出了确定蜂窝结构致密化应变的理论公式,并确定了详细的初始致密化应变点。在实际应用中,蜂窝结构主要承受动态载荷,为了接近实际情况,研究人员对蜂窝结构进行了动态载荷试验。由于惯性效应和应变速率效应,蜂窝在低、中、高速压缩载荷下表现出不同的动力学行为8。GUJ L 等9提出了一种基于多尺度渐近技术的蜂窝结构动态描述的数学模型,获得了蜂窝芯的正交各向异性特性,并将获得的特性用于实体结构建模,以分析冲击行为。UGUR L 等10基于实验与数值模拟研究了铝蜂窝复合结构在低速冲击下的力学行为,研究表明,在使用 MWCNT 粘合剂时,减小蜂窝胞元宽度、增加蜂窝胞元高度等将提高蜂窝复合结构的最大冲击力值。SUN G 等11通过实验与数值模拟研究了蜂窝胞元高度、边长和壁厚等结构参数对蜂窝低速冲击行为的影响规律。TAO Y 等12通过数值模拟发现蜂窝结构能量吸收和平台应力随着压缩载荷加载速度的增加而增加。SUN D 等13提出了“最合适应变”这个新的力学术语,从而提出了一种新的耐撞性评估方法,基于数值模拟,给出了最合适应变、平均平台应力、压碎力效率和最大能量吸收效率的经验表达式。LI M 等14-15开发了一种新的替代方形蜂窝,以扩展非六边形金属蜂窝在能量吸收领域的应用,并对金属方形蜂窝的吸能性能和尺寸优化进行了研究,为方形蜂窝作为耐撞结构提供了理论依据。WEI Y 等16分别对正四边形、正六边形和凹六边形的蜂窝结构进行了高速冲击试验,发现凹六边形蜂窝结构能有效增强材料的能量吸收和抗冲击性。随着应用需求的增加以及技术的发展,对橡胶材料蜂窝结构的力学性能进行实验和数值模拟研究已成为一个热点方向。一方面是由于行业应用对蜂窝结构提出了更高的要求,橡胶材料蜂窝结构相对于金属蜂窝结构有利于减少成品的质量,相对于纸质蜂窝结构有利于改善结构适用范围;另一方面是由于橡胶材料作为一种超弹性材料,其本身力学特性决定了橡胶材料蜂窝结构在经历弹性变形后可恢复原貌,这使得橡胶蜂窝结构具有一定的可重复使用性,使蜂窝结构具有更广泛的应用场景。但受到制造技术的限制,目前橡胶蜂窝结构制备方法制造精度不足,无法制备小尺寸蜂窝结构。同时粘合剂的使用对蜂窝结构的力学性能产生了很大的影响,使得实验结构和数值模拟存在差异,无法验证数值模拟结果的准确性。3D 打印技术的出现能有效改善上述问题,3D 打印是将材料以足够小的厚度逐层堆叠累加来实现实体零件快速成型17。本文采用增材制造技术打印 TPU 蜂窝结构,进行压缩试验与数值仿真研究,获得了 TPU 蜂窝结构在不同方向上的变形模式、承压性能和吸能特性,为 3D 打印蜂窝结构的设计及应用提供数据支持。1 TPU 蜂窝结构压缩试验热塑性聚氨酯橡胶(Thermoplastic Polyurethane,TPU),具有耐磨性优异、耐臭氧性极好、硬度大、强度高、弹性好、耐低温、耐油以及耐化学药品等特性18。以 TPU 为打印耗材,制备蜂窝结构,打印胞元边长 l=3 mm、壁厚边长比 t/l=0.225、扩展角=120的蜂窝结构式样,进行压缩实验。试样如图 1 所示,压缩试验所用设备为 PLD-300 电液伺服疲劳试验机。压缩试验过程中,疲劳试验机电脑端会实时显示上压板位移值及压缩力值。定义-为上刚性压板与蜂窝结构上表面的平均接触应力:411塑性工程学报第 30 卷图 1 TPU 蜂