含缺陷金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的力學性能分析與失效評估研究.pdf

1、隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，大尺寸空間曲面的薄壁高溫合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為高超聲速戰(zhàn)斗機和巡航導彈中金屬熱防護系統(tǒng)的重要組成部分，目前已經(jīng)成為最新的研究熱點。與傳統(tǒng)的陶瓷熱防護系統(tǒng)相比，金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有超輕質(zhì)、高強韌、抗沖擊、防水防潮、易于實現(xiàn)機械連接和結(jié)構(gòu)一體化設計等諸多顯著優(yōu)點。但是金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在制備和服役過程中往往會產(chǎn)生不同類型的隨機缺陷，勢必會對相應構(gòu)件的力學性能產(chǎn)生不利的影響，然而只要帶有缺陷的金屬蜂窩夾層板能夠滿足使用

2、過程中各項力學性能指標要求，相應構(gòu)件仍然具備服役能力。因此本文旨在通過實驗分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究金屬蜂窩夾層板存在的三類典型缺陷對結(jié)構(gòu)拉、壓、彎、剪等力學性能的影響，進而得出一套完整、可靠的失效評估方法。本文的研究成果不但可以對今后金屬蜂窩夾層蓋板的生產(chǎn)加工、安全服役和維修維護起到指導作用，而且還能為將來在更為復雜的熱力耦合作用下大尺寸空間曲面金屬熱防護系統(tǒng)的有限元法數(shù)值模擬積累分析經(jīng)驗。
　　文中首先闡述了課題背景以及

3、研究的目的與意義，隨后對本文的研究對象點陣夾層結(jié)構(gòu)與作為芯子的多孔材料進行分類，并分別從理論分析、實驗測試和數(shù)值模擬等三個方面對其力學性能的研究現(xiàn)狀進行了綜述性總結(jié)。
　　其次對金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的制備工藝進行了深入的研究，對制備和服役過程中可能產(chǎn)生的缺陷進行了分類總結(jié)，并且針對每種缺陷的形成原因以及消除方法逐一進行分析。特別針對金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)最具代表性的三類缺陷的制備工藝和檢測方法進行了著重闡述。
　　然后通過實驗分析與數(shù)

4、值模擬相互驗證，本文分三部分重點研究了以下三類典型缺陷對結(jié)構(gòu)各項力學性能的影響。
　　對無缺陷的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件進行共面拉伸和壓縮、異面拉伸和壓縮、三點彎曲以及面內(nèi)剪切等力學性能測試，并對試件斷口的微觀形貌進行掃描觀測，根據(jù)實驗結(jié)果對試件在不同載荷形式下的強度和破壞模式分別進行分析總結(jié)，利用力學理論公式求得的解析解與實驗測試結(jié)果進行對比分析，驗證本文在多種載荷條件下測試的實驗結(jié)果。并在相同載荷條件下利用無缺陷試件的測試結(jié)果與含

5、有不同尺寸芯子脫焊缺陷的試件的實驗結(jié)果作對比分析，找出結(jié)構(gòu)的各項力學性能與芯子脫焊缺陷尺寸之間的函數(shù)關(guān)系，最后對應實驗數(shù)據(jù)點的損傷尺寸繪制出結(jié)構(gòu)剩余強度的擬合曲線，為工程實際應用提供了實驗依據(jù)和借鑒。
　　對含有面芯脫焊缺陷的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件作與上節(jié)所述相同載荷條件下的力學性能測試，并對所得實驗數(shù)據(jù)分組處理，與無缺陷的試件測試結(jié)果進行對比分析，進而找出結(jié)構(gòu)試件在不同載荷條件下的力學性能隨缺陷尺寸增加而衰減的規(guī)律；通過觀察試件的

6、破壞形貌推斷其破壞機理，可以判斷結(jié)構(gòu)的破壞模式是否受到缺陷尺寸的影響。為了進一步驗證實驗結(jié)果的準確性，本文應用有限元分析軟件ABAQUS對加載過程中結(jié)構(gòu)的力學行為進行數(shù)值仿真，將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測試結(jié)果進行了比對分析，可以清楚地觀察到結(jié)構(gòu)在加載過程中塑性應變與內(nèi)部應力的分布規(guī)律和演化過程。最后對應于實驗數(shù)據(jù)點的損傷尺寸繪制出含有面芯脫焊缺陷的結(jié)構(gòu)剩余強度的擬合曲線。
　　對含有結(jié)構(gòu)穿透缺陷（包括 Crack、Hole和Notch

7、三種缺陷形式）的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件作相同載荷條件下的力學性能測試和數(shù)值模擬分析。為了找出試件的力學性能隨穿透缺陷尺寸增加而衰減的規(guī)律，需要對實驗所得數(shù)據(jù)進行分組處理，并與無缺陷試件的測試結(jié)果進行對比分析；而且可以通過觀察結(jié)構(gòu)的破壞形貌推斷其破壞模式。進而利用有限元軟件進行數(shù)值仿真，進一步證明實驗數(shù)據(jù)的真實性，而且還可以準確地模擬出試件的真實破壞過程。最后對應于實驗數(shù)據(jù)點的損傷尺寸繪制出含有結(jié)構(gòu)穿透缺陷的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)剩余強度的擬合曲