仿生格柵增強蜂窩夾芯結構的設計、制造與分析.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、復合材料蜂窩夾芯結構和復合材料格柵夾芯結構同屬于仿生結構,在航空航天、運載及土木等多個工程領域均有廣泛應用。目前各種工程結構的服役環(huán)境日趨極端化,結構功能多樣化需求也日益提升,這些都對結構性能和可靠性提出了更高的要求。為此,本論文首先以樹葉組織的葉脈-夾層結構為原型,提出格柵增強蜂窩夾芯結構這一新構型。并基于均勻化理論,分析格柵增強蜂窩夾芯結構的剛度和比剛度等參數(shù),對格柵增強蜂窩夾芯結構進行初步設計。針對該結構制備過程中的多界面粘接問題

2、,本論文首先采用Kevlar短纖維進行多界面增韌并對其增韌效果及機理進行研究;其次通過三點彎曲實驗和面內壓縮實驗對該結構的力學性能進行測量和表征;最后對該結構在三點彎曲和面內壓縮載荷下的力學行為進行數(shù)值分析,在實驗校驗的基礎上,對關鍵設計參數(shù)進行參數(shù)化討論分析。該項研究內容是工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室自主研究課題“具有格柵加筋鋁蜂窩夾芯復合材料結構界面破壞和增韌機理”(S13205,2013-2015年)和國家自然科學基金青年項目“

3、金屬泡沫夾芯復合材料及結構的破壞機理和增韌研究”(11102032,2012年-2014年)的重要研究內容之一。本論文的主要研究內容如下:
  1.格柵增強蜂窩夾芯結構的多界面增韌方法研究
  格柵增強蜂窩夾芯結構可以在保留蜂窩隔音、隔熱和抗震等功能的同時,有效地提升結構的彎曲性能和壓縮性能。但由于原本的面-芯單一界面問題轉化為面-芯-芯多界面問題,加劇了整個結構的界面問題的復雜性。為了保證格柵增強蜂窩夾芯結構的性能優(yōu)勢,必

4、須提高其界面性能,確保界面不會失效。作者首先在宏觀尺度下驗證了Kevlar短纖維界面增韌法對碳纖維鋁蜂窩夾芯結構的增韌效果;之后將Kevlar短纖維增韌方法由碳纖維鋁蜂窩夾芯結構的碳纖維-鋁蜂窩單一界面推廣到格柵增強蜂窩夾芯結構的碳纖維面板-鋁蜂窩界面、碳纖維面板-鋁格柵界面和鋁格柵-鋁蜂窩界面,進行多界面增韌。同時,采用掃描電鏡和光鏡等觀察手段,對界面進行微觀觀測,發(fā)現(xiàn)短纖維界面增韌可形成纖維橋聯(lián)結構,并在連接區(qū)域形成“圓角”增強結構

5、,揭示了Kevlar短纖維的界面增韌機理。
  2.格柵增強蜂窩夾芯結構力學性能的實驗研究
  為研究格柵增強蜂窩夾芯結構的力學性能,作者對格柵增強蜂窩夾芯結構、傳統(tǒng)鋁蜂窩夾芯結構和格柵夾芯結構開展了三點彎曲實驗和面內壓縮實驗研究,通過實驗結果分析,比較了三類結構的極限載荷、結構破壞模式、臨界破壞載荷、能量吸收性能、比剛度等力學參數(shù)。三點彎曲實驗顯示,格柵增強鋁蜂窩夾芯結構的平均極限載荷、平均能量吸收性能和比剛度遠高于傳統(tǒng)鋁

6、蜂窩夾芯結構或鋁格柵夾芯結構。面內壓縮實驗顯示,相比于傳統(tǒng)鋁蜂窩夾芯結構,格柵增強鋁蜂窩夾芯結構在面內壓縮載荷作用下,平均極限載荷和比剛度大幅升高,但平均能量吸收性能提高幅度不明顯;相比于格柵夾芯結構,格柵增強鋁蜂窩夾芯結構平均極限載荷、平均能量吸收性能和比剛度均得到大幅升高。
  3.格柵增強蜂窩夾芯結構的數(shù)值分析研究
  格柵增強蜂窩夾芯結構既具有優(yōu)良的力學性能,同時也可滿足多功能要求,因此是一種很有應用前景的新型夾芯結

7、構。為更好的指導結構設計,分析各設計參數(shù)對結構性能的影響,作者建立了格柵增強蜂窩夾芯結構的數(shù)值分析模型。通過與實驗結果進行對比,驗證了該數(shù)值分析模型的有效性和準確性。之后,采用此模型,對格柵增強鋁蜂窩夾芯結構進行參數(shù)化討論。結果顯示,對于格柵增強鋁蜂窩夾芯結構,改變芯體高度對整體結構載荷響應值的影響最為明顯,改變面板厚度次之,而改變蜂窩單胞壁厚的影響最小。
  4.格柵在其他結構中的增強效應研究
  為進一步研究和揭示格柵芯

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