復合材料點陣夾芯結構的彎曲、屈曲和振動特性研究.pdf

1、點陣夾芯結構是一類具有優(yōu)異力學性能的新型輕質多功能結構,其在航空、航天、船舶和交通領域具有廣闊的應用前景。與傳統(tǒng)的金屬材料相比,碳纖維增強復合材料具有密度低、強度高、模量大的特性,采用復合材料制備點陣夾芯結構,將使材料和結構的優(yōu)勢相得益彰。由于復合材料點陣夾芯結構具有高孔隙率、周期性有序及各向異性的特點,其在剛度、強度、穩(wěn)定性和振動特性等方面都體現(xiàn)出新的特征,但目前還缺乏該方面的研究成果。本文采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗測量相結合的方法

2、,對復合材料點陣夾芯結構的三點彎曲、整體屈曲、自由振動及缺陷敏感性問題進行了研究,主要包括以下內容:
　　首先研究了復合材料點陣夾芯結構在三點彎曲載荷作用下的剛度和強度問題。將離散的點陣芯子等效為連續(xù)均勻材料,考慮面板的彎曲和芯子的橫向剪切,推導了撓度的表達式。將點陣夾芯結構看作由多跨薄板和一維桿單元構成的復合結構,分析了面板和桿件的應力狀態(tài),推導了多種失效模式所對應的臨界載荷。在此基礎上繪制失效機制圖,揭示了失效模式與結構幾何尺

3、寸之間的關系。以承載效率最大化為目標,對復合材料點陣夾芯結構進行了優(yōu)化設計,并與金屬點陣夾芯結構和復合材料層合結構進行比較,指出了這種新型輕質結構的優(yōu)勢所在。
　　其次研究了復合材料點陣夾芯結構在面內壓縮載荷作用下的整體屈曲問題。延用Allen提出的“折線”位移模型(該模型假設面板與芯子具有不同的轉角,且芯子的轉角是結構橫向位移的函數(shù)),在其基礎上考慮了面板的層合屬性,采用能量變分方法推導了橫向位移的通解表達式,通過邊界條件確定通

4、解中的未知系數(shù),計算了多種典型邊界條件下夾芯結構的屈曲模態(tài)和臨界屈曲載荷。本文提出的方法解決了Euler理論和Timoshenko理論在夾芯結構屈曲長度較短的情況下計算誤差偏大的問題。
　　然后對復合材料點陣夾芯結構的振動特性進行了理論和數(shù)值研究。Allen模型僅適用于簡支邊界條件下夾芯結構的自由振動問題研究,為了使研究的問題更加具有普適性,本文對Allen模型加以改進,假設芯子的轉角與結構的橫向位移是兩個獨立的函數(shù),求解了多種典

5、型邊界條件下夾芯結構固有頻率和固有振型的解析解。建立了模擬點陣夾芯結構自由振動特性的有限元模型,并討論了材料性能和幾何參數(shù)對復合材料點陣夾芯結構固有頻率的影響。
　　最后通過實驗模態(tài)分析和數(shù)值模擬方法研究了芯體材料的局部損傷對復合材料點陣夾芯結構振動特性的影響。討論了損傷程度、損傷位置、損傷形式和邊界條件對點陣夾芯結構固有頻率和固有振型的影響,研究結果表明局部損傷將會降低結構的固有頻率,并導致結構的固有振型出現(xiàn)明顯的局部變形。該研