铝/不锈钢蜂窝复合结构的设计制备与压缩性能

针对蜂窝材料强度低且蜂窝复合板仍以高强胶连接为主,在高温作用下易发生开裂失效等问题,本文设计了不同材质和蜂窝尺寸组合的复合结构,采用钎焊工艺制备了不同面板材料、不同蜂窝厚度和边长组合的铝/不锈钢复合板,并对其连接效果、压缩性能、吸能性和变形行为进行研究。结果表明:钎焊制备的蜂窝复合板具备良好的连接效果;蜂窝结构的承载强度和吸收能量随蜂窝尺寸的降低而提升,随蜂窝壁厚的增加和选用材料强度的增加而提高;采用塑性优异的铝合金蜂窝芯时,复合板芯层会发生逐层压溃,而采用塑性较差的不锈钢蜂窝芯时,芯层在一定变形后产生垂直变形。

泡沫填充碳纤维增强复合材料方形蜂窝夹芯准静态压缩特性

提出了一种碳纤维增强复合材料(CFRP)方形蜂窝中内嵌聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫材料的新型轻质夹芯结构并实现了夹芯结构的制备。通过准静态压缩试验和数值模拟研究了不同几何参数夹芯的准静态压缩性能,结果表明:当夹芯栅格间距较小时,夹芯中方形蜂窝的破坏模式主要为脆性断裂破坏,随着栅格间距的不断增大,夹芯结构稳定性逐渐降低,因此夹芯失效模式转变为屈曲失稳。内嵌PMI泡沫后,方形蜂窝夹芯的压缩特性得到了显著改善,其压缩强度增大,能量吸收效率提高;随着内嵌泡沫密度的增大,夹芯的压缩强度和比能量吸收量均呈现出增大的趋势。研究结果可以为抗冲击类夹层结构夹芯的创新性设计提供思路和参考。

嵌入式类蜂窝结构面外力学性能研究

提出一种嵌入式类蜂窝结构,采用能量法推导其单(双)壁厚夹芯结构的面外等效力学参数公式,利用数值模拟方法验证其力学模型及公式的正确性;研究嵌入式类蜂窝芯层结构尺寸对其面外力学性能的影响,结果表明:在其他结构尺寸一定的情况下,当四边形壁厚与八边形壁厚之比a增大时,该结构的面外等效弹性模量和剪切模量随之增大,当八边形边长与其壁厚之比β增大时,该结构的面外等效弹性模量和剪切模量随之减小,并且β值到达50左右时,剪切模量趋于稳定,由此发现面外等效弹性模量受尺寸参数影响较剪切模量明显。此研究为后续嵌入式类蜂窝结构在工程中的应用提供了理论支撑。

加强型蜂窝准静态压缩应力的理论、数值模拟及试验研究

为拓宽加强型蜂窝应用,研究其力学性能与结构参数的关系。首先,分析加强型蜂窝的结构,提取Y型胞元,以此为基础分析塑性铰单元。然后,将简化超折叠理论应用到Y型胞元结构折叠变形吸能分析,并分别利用基于屈雷斯佳和米塞斯屈服准则,推导蜂窝异面方向准静态平台应力理论模型。再次,选用壁厚为0.15 mm、边长为2.5 mm的铝合金5052H18,通过Ls⁃Dyna建立蜂窝仿真模型,获得平均应力,并将理论值与仿真值进行对比。结果表明,2种屈服准则下,理论值与仿真结果相关性为0.96,偏差在-12.16%~3.60%。最后,对普通型和“4+1”型蜂窝制样进行准静态压缩测试,结果表明,2种规格理论强度与实际测试强度偏差在-2.51%~1.56%。说明理论计算式正确,可为加强型蜂窝选型提供有效的设计依据,为工程应用提供一定的指导价值。

类方形蜂窝夹芯胞元尺寸的等效力学性能与优化

为了提升类方形蜂窝等效力学性能,在推导了其尺寸参数与等效力学性能的函数后,将尺寸参数作为设计变量、等效力学性能为优化目标,建立了类方形蜂窝夹芯胞元优化数学模型,采用了多目标遗传算法进行优化设计。给出胞元尺寸单参数响应及多尺寸协同作用的响应分析并从多目标优化代表性解中选取到最优解。优化结果得到:当夹芯胞元尺寸参数l/t取114.3899、l/h取0.9598时,等效密度增加59.52%,y方向等效弹性模量减小了67.37%,但x方向等效弹性模量增大了109.77%,等效剪切模量增加了421.94%,类方形蜂窝夹芯的等效力学性能显著提升。研究结果对类方形蜂窝夹层结构的优化设计提供一定的依据和参考。

类方形蜂窝夹层结构的声振特性研究

基于Reddy高阶剪切变形理论和双三角函数法,建立了类方形蜂窝夹层结构振动固有频率理论模型和隔声特性理论模型,运用Workbench和声学软件Virtual Lab分别对此夹层结构进行振动模态分析和声振耦合分析。结果表明,影响类方形蜂窝夹层结构隔声量的3个主要因素按所占权重由大到小依次为夹芯壁厚、面板厚度、夹芯高度。与传统六边形蜂窝夹层结构相比,类方形蜂窝夹层结构隔声性能更好。

新型三维负泊松比蜂窝结构设计与力学性能研究

负泊松比蜂窝结构具备优良的力学性能、出色的能量吸收能力和轻量化特性,使其在减振降噪、抗爆抗冲击等领域中具有重要应用价值,可广泛应用于舰船高性能结构设计中。本文基于典型二维内凹六边形设计了一种三维度均具备负泊松比效应的新型蜂窝结构。利用其构型的高度对称性对结构受力模型进行简化,基于Timoshenko梁理论构建了该结构在准静态载荷作用下的等效力学模型。通过对比理论解、有限元结果与试验结果三者,验证了所建立的新型负泊松比蜂窝结构力学模型的合理性,为该新型结构力学性能的预测提供了一种便捷且较为准确的方法。此外,进一步分析了三维负泊松比蜂窝中微观胞元各几何参数对结构整体性能的影响。结果表明,通过对胞元几何形状的针对性优化可完成对其力学性能的控制,为后续该型结构的实际应用提供了理论依据。

超轻多孔类蜂窝夹心结构创新构型及其力学性能

通过优化排列六边形和四边形夹心胞元,以六边形和四边形的组合设计胞元结构,提出了类蜂窝夹层结构的概念并对其进行了创新构型;基于Gibson提出的胞元理论,建立了类蜂窝夹心结构力学等效模型,并推导出了等效模型的等效弹性常数公式。以卫星结构的蜂窝夹层板作为应用实例,对类蜂窝和正六边形蜂窝夹心结构的等效力学常数进行了计算对比,结果表明:两者的等效弹性模量近似相等,然而类蜂窝夹心结构的等效剪切模量却有较大提高,同时等效密度更小,可有效减小结构的质量。对卫星结构类蜂窝夹心结构进行了数值模拟研究,验证了类蜂窝夹心结构力学等效模型的正确性。

类蜂窝结构的面内冲击特性研究

以类蜂窝结构为研究对象,讨论了不同冲击速度作用下该结构的面内冲击力学性能及能量吸收能力,并与传统的六边形蜂窝结构在不同方向冲击作用下的变形模式、比吸收能量进行了对比。研究结果表明:在低速冲击下,类蜂窝结构先后表现出V形、X形、K形及I形等局部变形特征;在中高速冲击下,类蜂窝结构中的六边形与四边形胞元交替压溃,并从冲击端的I形局部变形逐步扩展到固定端;随着冲击速度增大,类蜂窝表现出更强的能量吸收能力,且与六边形蜂窝相比,其能量吸收过程不受冲击方向的影响,更加稳定可靠。研究结论可望为进一步研究同一结构模型不同布置方式的类蜂窝结构的动态冲击特性提供依据。

蜂窝铝夹芯板准静态局压试验研究

通过准静态试验测试了蜂窝铝夹芯板的局压力学性能,分析了其破坏过程、破坏形态和典型荷载-位移曲线,研究了面层厚度、孔棱大小、压头类型、边界条件等因素对其极限荷载和吸能能力的影响。结果表明,蜂窝铝夹芯板局压荷载-位移曲线表现两种典型类型,呈现出弹性阶段、局部损伤阶段、强化阶段、整体损伤阶段、压缩致密阶段、底部破坏阶段等六个主要阶段。面层厚度和孔棱大小对夹芯板局压承载力和吸能能力有一定影响,压头类型对局压承载力和刚度有较大影响,但对吸能能力影响不大,边界条件和试件厚度对夹芯板强度和吸能能力影响不大。

泡沫填充类蜂窝夹层结构的耐撞性

本文创新构型一种聚氨酯泡沫填充类蜂窝夹芯结构,取类蜂窝胞元壁厚分别为0.3、0.5、1.0 mm,运用数值模拟方法对该填充结构在不同冲击速度作用下的耐撞性进行了系统研究,并分析了类蜂窝胞元壁厚对结构耐撞性及变形机制的影响。结果表明,在7、14、33 m/s冲击载荷作用下,类蜂窝胞元壁厚为0.3 mm填充结构的比吸能、载荷稳定性及吸能效率要高于其他两种壁厚结构的相应值,此条件下填充结构的耐撞性最优,胞元壁厚为0.5 mm结构的耐撞性次之。对于该泡沫填充类蜂窝结构而言,减小类蜂窝胞元壁厚能显著提升结构的载荷稳定性,在相同胞元壁厚条件下,填充结构在低速载荷冲击作用下表现出了比中、高速冲击作用下更优的载荷稳定性和吸能效率。

组合型类蜂窝夹芯结构设计及面内力学性能研究

为提高蜂窝夹芯结构共面方向的承载性能,从仿生序构角度,提出一种组合型类蜂窝夹芯结构,并对其面内力学性能进行研究。首先,从深海鱼的骨骼结构中仿生设计出一种功能基元,并将该基元4个一组在空间组合成一个基本单元,再将此单元在水平和垂直方向上阵列得到一种四边形里嵌套八边形的组合型类蜂窝夹芯结构;然后,根据胞元理论将该结构进行简化,采用经典梁弯曲理论与胡克定律推导出其面内等效力学参数公式;采用压缩实验和数值模拟进行力学参数的对比验证,得到该结构面内等效弹性模量的实验值、仿真值与理论值之间的误差分别为13.68%和10.60%,验证了组合型类蜂窝夹芯结构面内等效力学参数的准确性。在相同等效密度下,将所设计的组合型类蜂窝夹芯结构和该课题组以前提出的“超轻多孔”类蜂窝夹芯结构进行等效力学性能对比实验,结果表明:所设计的组合型类蜂窝夹芯结构的面内等效弹性模量是类蜂窝夹芯结构的20倍左右,其刚度有显著提升,该研究成果为新型蜂窝结构创新设计提供了思路。

基于能量法不同壁厚类蜂窝共面力学性能研究

基于三明治蜂窝夹层板理论,运用能量法对等壁厚和双壁厚类蜂窝夹芯结构的共面等效力学特性进行研究,推导类蜂窝夹芯结构的共面等效弹性常数的计算公式,同时通过实例对比分析等壁厚与双壁厚类蜂窝夹芯的共面等效弹性参数.研究结果表明:运用采用能量法与改进Gibson公式得到的共面等效弹性常数的计算公式结果一致,进一步验证了类蜂窝胞元等效模型的正确性,以及能量法推导过程的合理性;同时从不同壁厚类蜂窝力学特性对比中可以看出,随胞元壁厚与胞元边长之比逐渐增大,等壁厚与双壁厚类蜂窝的共面等效弹性参数差别也越来越大,该结论为进一步研究由不同壁厚蜂窝夹芯构成的蜂窝夹层结构的整体力学性能提供了参考.

轻质高强类蜂窝夹层结构轴向压缩屈曲失效分析

基于传统力学理论和Engesser法,建立类蜂窝夹层结构受压载荷模型,推导轴向压缩载荷作用下的临界屈曲载荷计算公式,通过实验与数值模拟相结合的方式验证了该理论公式准确性。同时,运用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了类蜂窝芯胞元个数、面板厚度以及胞元参数等对结构稳定性的影响,进而得到等效密度与屈曲载荷对胞元参数响应关系。研究结果表明,在不考虑结构轻质时,增大上、下面板厚度和胞元壁厚可提高屈曲载荷,增强结构可靠性;在考虑结构轻质时,增大斜边边长在有效减小等效密度的同时,可有效增大整体屈曲载荷。

类蜂窝夹芯结构等效力学性能优化设计

为提高新型类蜂窝夹芯结构的等效力学性能,本文在分析夹芯胞元尺寸对其等效力学性能影响的基础上,选取胞元尺寸为设计变量、以等效力学性能参数为目标函数,建立类蜂窝夹芯结构等效力学性能优化数学模型,并采用多目标遗传算法对其进行优化设计。经优化设计分析发现:当夹芯胞元厚度t与六边形短边长l比值为0.0134、正方形边长h与l比值为0.6932、六边形短边与水平方向夹角θ为45°时,夹芯胞元等效密度增大46.7%、等效弹性模量增大102.14%、等效剪切模量增大465.62%,泊松比降低16.27%。研究表明,通过优化设计,类蜂窝夹芯结构等效力学性能得到了大幅提升。本文的研究内容将对新型蜂窝夹芯结构的创新设计与优化提供重要的参考依据。

六边形蜂窝芯异面类静态压缩力学行为的仿真分析

目的研究六边形蜂窝芯材异面类静态压缩载荷的数值模拟方法及相关力学行为。方法基于蜂窝单元阵列的方法,构筑了单双壁厚六边形蜂窝芯材异面类静态压缩有限元数值计算模型和分析方法。结果借助于该模拟方法,分析计算了不同结构参数条件下单双壁厚六边形蜂窝芯材的异面变形模式、变形曲线和类静态峰应力值,并绘制了相应的图、压缩力位移曲线和数据表格。结论将计算结果与现有的实验和理论计算结果作对比分析可知,计算结果与已有结果吻合较好,证明了所提出的有限元分析方法的可靠性。

准静态压缩下蜂窝纸板应力-应变模型

本文对蜂窝纸板进行准静态压缩实验,获得力-位移数据,借助Matlab软件,对其进行处理。通过Gauss拟合函数,获得精度较高的蜂窝纸板应力-应变模型;比较了纸板厚度、材质对平压强度的影响;通过蜂窝纸板静态缓冲系数-应力曲线,分析比较了厚度、面纸和芯纸的定量对其缓冲性能的影响。结果表明,纸板厚度对蜂窝纸板的平压强度和缓冲性能影响较小,而面纸和芯纸的定量对其影响较大。

金属多层圆管夹芯板结构静态及准静态压缩力学行为研究

分别采用半径为Φ3和Φ6 mm的铝合金薄壁圆管粘接得到相对密度为0. 125和0. 24的圆管多层夹芯板材,试验研究了在侧向约束和准静态条件下不同层数蜂窝材料的面内压缩过程和力学响应,结合有限元计算表明,随着圆管层数的增多,夹芯材料的应力-应变曲线向下移动,单位体积塑性变形所耗散的能量减少,能量吸收减弱。而在没有侧向约束时,计算得到的应力值明显小于有约束时,且圆管层数对应力-应变曲线和能量吸收影响较小。此外,层级梯度圆管蜂窝准静态压缩曲线有明显的分段现象,层薄弱区倾向于先变形致使整体应力降低,从根本上没有改变圆管蜂窝变形模式,反而使得变形集中,不利于能量吸收。

层合瓦楞纸板结构沿瓦楞方向的准静态压缩性能研究

试验研究了层合瓦楞纸板结构沿瓦楞方向的准静态压缩性能。研究结果表明:该结构准静态压缩载荷-变形曲线可分为2段——线弹性段和褶皱化变形段;楞型不同、厚度相同的样品,其准静态压缩最大值与瓦楞纸板的边压强度完全相关;楞型相同、厚度不同的样品,随着厚度的增加静态压缩最大值逐渐降低,厚度对载荷最大值所对应的变形值的影响不大。

凹六边形蜂窝芯材共面准静态力学行为

为了研究共面准静态压缩载荷作用下凹六边形蜂窝芯材的力学行为,设计了相关有限元分析模型.基于该模型,进行了大量有限元模拟计算.将计算得到的变形模式、响应曲线和峰应力值分别以图、力位移曲线和数据表的形式列出.壁厚边长比和扩展角对准静态峰应力的影响进行了详细讨论,基于有限元计算结果给出了准静态峰应力与结构参数之间的经验关系式.