钎焊铝合金蜂窝板超声波A扫描检测数值模拟分析

利用数值模拟分析了探头在铝合金蜂窝板钎焊接头的不同位置时超声波信号的变化,发现超声波一次回波幅值变化最为明显。这为实际超声波检测选取一次回波幅值作为特征值来表示铝合金蜂窝板接头不同区域的连接状态提供了理论基础,为后续超声波检测铝合金蜂窝板提供了条件。

铝合金蜂窝板-杆组合网格结构的等效刚度研究

铝合金蜂窝板作为典型的轻质高强材料已被广泛应用于航空航天领域。由于大跨空间结构对自重特别敏感,为此将蜂窝板与单层铝合金网壳可靠连接,形成一种新型组合网壳,前期研究结果表明,该结构显著提高了单层铝合金网壳的整体刚度及稳定性。为探究蜂窝板与铝合金杆之间共同工作的性能,以及该类组合结构的简化计算方法,设计制作了3组铝合金蜂窝板-杆组合网格结构试件开展承载力试验,并建立精细化有限元模型,进行了弹塑性分析,最后在理论分析的基础上提出了等效抗弯刚度及等效薄膜刚度的计算公式。

铝合金蜂窝板钎焊接头的超声波C扫描检测

分析了铝合金蜂窝板钎焊接头连接状态与超声检测C扫描信号的关系,建立了钎焊接头有效连接面积的超声检测分析模型,并基于该模型生成C扫描图像。利用图像增强、边缘检测等图像处理方法对C扫描图像进行处理,处理后的图像能够清晰地显示出钎焊接头形貌。将钎焊接头尺寸的实际测量值与超声检测值进行对比,结果表明,超声检测所得焊缝有效连接面积与实测值绝对误差小于0.11 mm,证实了超声波检测可用于铝合金蜂窝板钎焊连接面积定量分析。

铝合金蜂窝板钎焊接头超声波定量化检测研究

文中研究了一种基于超声波无损检测技术的铝合金蜂窝板钎焊质量的定量评估方法,研究了钎焊接头状态与超声波检测A扫描回波信号特征信号之间的关系,建立了铝合金蜂窝板钎焊有效结合区域的超声波检测分析模型,并基于该模型生成C扫描图像。对生成的超声波C扫描图像进行了边缘检测,图像增强处理后可以清楚地显示出钎焊接头的连接状态,通过金相观察验证,获得的钎焊接头连接区域长度与实测值吻合良好,且绝对误差很小,该检测方法具有非常高的精度和稳定性,可以用来评估铝合金蜂窝板钎焊接头连接质量,而且比单一的拉伸破坏性试验更加可靠。

强震作用下铝合金蜂窝板组合网壳的连续倒塌性能研究

为了提高铝合金蜂窝板组合网壳的计算效率,分别采用引入接触单元的耦合法(简称接触模型)和完全协调法建立了有限元分析模型,并且将有限元分析结果与铝合金蜂窝板组合网壳承载力试验结果进行了对比分析,然后基于两种有限元分析方法建立了大跨铝合金蜂窝板组合网壳模型,并且提出了引入折减系数的完全协调法作为铝合金蜂窝板组合网壳的简化计算方法。基于上述简化计算方法,采用ANSUYS软件建立了有限元分析模型,探究了铝合金蜂窝板组合网壳在不同矢跨比(1/4、1/5、1/6)、不同跨度(40,50,60 m)和不同板厚(5,10,15 mm)下结构自振频率的变化规律。对铝合金蜂窝板组合网壳进行了时程分析,对结构的动力位移响应和进入塑性的杆件比例进行了全面的研究,得出了网壳发生破坏时的加速度幅值,探讨了不同矢跨比、不同跨度和不同板厚对铝合金蜂窝板组合网壳在强震作用下的抗连续倒塌性能的影响。结果表明:当板厚折减20%时,按完全协调法的有限元分析结果与试验结果之间的误差为5.87%,误差在合理范围内。故提出了引入折减系数为0.8的完全协调法作为铝合金蜂窝板组合网壳的简化计算方法,并且应用于组合网壳的自振频率分析以及在强震作用下组合网壳的倒塌性能研究。通过对组合网壳进行模态分析,发现:随着模态阶数的提高,组合网壳的自振频率有小幅度的增大。矢跨比的减小会引起组合网壳的自振频率的减小;跨度的减小和板厚的增大会引起组合网壳的自振频率的增大。通过对组合网壳进行时程分析,发现:随着加速度幅值的不断增大,不同矢跨比、不同跨度和不同板厚的铝合金蜂窝板组合网壳的最大节点位移和进入塑性的杆件比例都在逐渐增大;当加速度幅值为325,375,400 m/s^(2)时,矢跨比1/4、1/5、1/6的组合网壳在El Centro波作用下依次发生连续倒塌破坏;当加速度幅值为300,350 m/s^(2)时,40 m和50 m跨度的组合网壳在El Centro波作用下依次发生连续倒塌破坏;当加速度幅值为225,575 m/s^(2)时,5 mm和15 mm板厚的组合网壳在El Centro波作用下依次发生连续倒塌破坏。矢跨比的减小、跨度的增加以及板厚的增加会引起组合网壳在El Centro波作用下发生破坏时的加速度幅值的提高,进而证实了铝合金蜂窝板组合网壳的抗连续倒塌性能的提高。

三种构型的铝合金蜂窝板抗压性能研究

受到独角仙的前翅中同时含有小柱和气囊壁结构的启发,对传统铝合金蜂窝板进行了改进,在铝合金蜂窝板芯板的蜂窝壁端部设置了小柱结构,即壁端柱甲虫板。因为独角仙前翅中有约10%的小柱分布在蜂窝壁的中间,故增加了小柱设置在蜂窝壁中部的壁中柱甲虫板。以三种板为研究对象,开展试验和有限元分析。为完全模拟一体化成型蜂窝板的性能和考虑到3D打印技术无法打印铝合金材料,故试验用树脂作为材料,采用3D打印技术制作一体化蜂窝板试件进行试验,用于验证计算机模拟的准确性。试验首先运用树脂材料通过3D打印技术制作3种不同构型的蜂窝板,分别为传统蜂窝板、壁中柱甲虫板和壁端柱甲虫板,对其开展侧压试验。通过试验数据可以看出,壁端柱甲虫板较传统蜂窝板侧压极限承载力由27.9 kN提升至34.7 kN;壁中柱甲虫板较传统蜂窝板侧压极限承载力由27.9 kN提升至31.9 kN。由此可见,壁端柱甲虫板的侧压性能较蜂窝板和壁中柱甲虫板更好。其次建立了有限元模型与试验数据对比验证,因3D打印工艺留下的小孔影响使得试件的破坏形态与有限元模型的应力分布略有差异,但板件上下边缘中心的低应力区与试验相同。由有限元模拟值与试验数值对比可以看出,模拟结果与试验结果平均误差仅3.366%,由此验证了有限元模型的有效性。再次建立基于铝合金材性的三类蜂窝板有限元模型,开展侧压有限元分析,结果显示,壁端柱甲虫板相较于传统蜂窝板在屈服承载力和极限承载力方面提升分别为2.6%和4.7%。最后分别对影响甲虫板侧压性能的柱的半径r与六边形蜂窝芯的边长L的比值α、甲虫板芯层的厚度h_(1)、上下面板的厚度h_(2),甲虫板芯层蜂窝壁的厚度d这四种因素建立模型进行对比分析。分析结果显示:径长比由0.3125增加至0.5时,屈服承载力和极限承载力分别增加了5.3%和6%;甲虫板芯层壁厚由1 mm增加到1.4 mm时,屈服承载力和极限承载力分别增加了3.3%和6.5%;甲虫板芯层厚度由6 mm增加到12 mm时,屈服承载力和极限承载力分别增加了2.2%和5.1%;甲虫板面层厚度由1 mm增加到2.5 mm时,屈服承载力和极限承载力分别增加了244%和236%。可见甲虫板面板厚度对侧压性能具有显著影响。

钎焊接头超声波A扫描信号分析

文中对铝合金蜂窝板钎焊接头超声波A扫描回波信号进行了时域和频域分析。研究了铝合金蜂窝板钎焊接头状态与超声波检测A扫描回波信号特征信号之间的关系。通过对比超声波信号的时域和频域分析结果可知,时域分析测量值可以更加准确地测出扫查线上的焊合长度,且误差很小,能够表征钎焊接头内部连接状态,可以用来评价铝合金蜂窝板钎焊接头连接质量。

箱型空腹屋盖与传统屋盖的结构性能对比研究

提出了一种新型空间结构———铝合金蜂窝板箱型空腹屋盖结构,它是由轻质高强的铝合金蜂窝板通过特种连接件拼接而成的五面体或六面体箱型空腹结构,它不仅具有张力结构“轻质高强”的特点,还吸收了刚性结构高强度、高刚度的优点。为了探究箱型空腹屋盖相对于传统屋盖的结构性能的优势,以铝合金蜂窝板箱型空腹屋盖的承载力试验为基础,研究了箱型空腹屋盖的力学性能,运用ANSYS软件建立了完全协调和耦合两种有限元分析模型,并且验证了有限元分析模型的有效性。对三向网格型单层网壳、正放四角锥双层网壳、无底板的五面体箱型空腹屋盖、有底板的六面体箱型空腹屋盖4种结构进行了力学性能分析,并且分析了其经济性。结果表明:铝合金蜂窝板箱型空腹屋盖的连接性能良好,具有较高的空间整体刚度。其极限承载力高达结构自重的11倍,稳定承载力约为自重的3.6倍,且结构在屈曲时的变形极小,挠跨比仅为1/800。耦合模型适用于箱型空腹屋盖结构的有限元分析,其在弹性阶段与试验较吻合,极限承载力仅比试验值高出15%,在考虑安全系数后可以作为结构承载力的设计值。在网壳结构的静力性能方面,有底板的箱型空腹结构的跨中挠度值和构件应力比均为四者中最小,表现出了较高的承载能力和抗变形能力。在控制跨中挠度值相近的情况下,杆系结构网壳的构件应力比普遍要大于板系结构,板系结构的空间传力更为合理。在网壳结构的经济性方面,对于同等尺寸的网壳,无底板箱型空腹网壳的结构自重最小,而三向网格型单层网壳的建筑空间最大。随着网壳平面尺寸的增大,结构平均重量都随之降低,建筑空间相差越来越大。在满足结构力学性能的前提下,综合考虑建筑空间和结构自重,箱型空腹结构可以获得相对较好的经济性。在网壳结构的动力性能方面,板片结构的频率一般要比同等条件下的杆系结构的频率大,板片结构具有轻质高强的特点,且其质量和刚度的分布较杆系结构更为合理。箱型空腹屋盖的力学性能及经济指标均比较优异,但有各自适用的跨度范围。无底板箱型空腹结构适用于20 m跨度以下的网壳,而有底板箱型空腹结构因其刚度更大可适用于20~30 m跨度的网壳。