蜂窝夹芯剪切等效模量研究

蜂窝夹层轻型结构以其比强度、比刚度高,而在航空航天工程中被广泛采用.由于蜂窝形状、尺寸多样,使夹层结构设计、优化分析变得复杂,特别是蜂窝夹芯的剪切模量难以准确的等效计算.以薄板理论为基础采用有限元方法对单蜂窝分析的方法,获得蜂窝夹芯的剪切等效模量,与其它方法相比较,精度较高,与试验结果吻合较好.

基于能量法的空腹夹层板夹心层平面外等效剪切模量计算

采用拟夹层板的方法快速计算空腹夹层板的受力性能,需要其拟夹心层的抵抗剪切影响的参数。考虑空腹夹层板的空间构型和建造材料,文章采用能量法对去掉表面薄板的空腹夹层板作为夹心层模型进行平面外等效剪切模量的计算。为验证此平面外等效剪切模量的精确性,采用多组精细有限元模型在不同工况下进行误差对比。结果显示:在多种情形下通过该计算式计算出的剪切变形具有一定精度,最大误差约15%,相较之前研究误差大大减小;空腹夹层板本体抗剪刚度优秀;不改变其他构件形状,仅改变剪力键的材料选取对其抗剪能力影响有限。

考虑高度效应的微纳米蜂窝面内等效剪切模量预测方法

得益于微纳米技术的迅速发展,微纳米蜂窝常被应用于微电机系统中,准确评估微纳米蜂窝的弹性性能对于微电机系统的设计是必要的。当蜂窝结构尺寸进入微纳米尺度后,尺寸效应对其力学响应的影响变得不可忽略,在评价微纳米蜂窝的力学性能时应考虑尺寸效应的影响。提出了一种计及尺寸效应和高度效应的微纳米蜂窝等效剪切模量计算方法,将单参数应变梯度理论引入本构方程,并根据能量均匀化方法推导出等效剪切模量的解析解。算例表明,计算结果高于经典弹性理论结果,与实验观察到的现象一致,有效地显示了尺寸效应。尺寸效应的显著程度受蜂窝芯层高度和几何尺寸的影响,芯层高度更小或几何尺寸更小的微纳米蜂窝表现出更为显著的尺寸效应,尺寸效应的存在导致等效剪切模量对芯层高度的敏感性降低。随着蜂窝几何尺寸的增大,该方法预测的数值逐渐逼近宏观尺度蜂窝等效模量值,且具有良好的普适性,可用于宏观尺度和微纳米尺度蜂窝。

周期性多孔材料等效剪切模量与尺寸效应研究

提出了以圆筒扭转力学模型为基础,预测周期性多孔材料等效剪切模量及其研究尺寸效应的一种简单有效计算方法.以方形孔和圆形孔两种典型多孔材料为例进行了数值计算求解;同时,建立了几何参数随体胞尺寸缩放因子n的解析关系,证明了两种构型的周期性多孔材料的等效剪切模量均随尺寸缩放因子n的增大而减小.当n→∞时,即体胞尺寸相对整体结构无限小时,多孔材料的等效剪切模量趋近收敛于一个恒定值;当体胞的材料体分比增大时,多孔材料等效剪切模量也随之增大.此外,依据周期性多孔材料的结构对称特性,使用体胞子结构有限元计算模型进行等效剪切模量及其尺寸效应的预测,极大地提高了计算效率.

六边形蜂窝等效面外剪切模量预测及其尺寸效应

给出了预测六边形蜂窝材料等效剪切模量及其尺寸效应的圆筒扭转力学模型和扭转能量法,建立了等效面外剪切模量G13相对于材料体分比v、周向单胞数n、圆筒半径r和单胞层数参数m变化的解析表达式;同时将扭转能量法、有限元数值模拟计算和G--A经典细观力学方法进行了比较,从理论上揭示并验证了尺寸效应的存在性.结果表明,当蜂窝体胞尺寸相对结构尺寸无穷小时,预测结果趋近于细观力学方法的结果.此外,利用周期性蜂窝材料的结构对称特性,使用体胞子结构有限元计算模型进行等效面外剪切模量及其尺寸效应的预测,在不影响计算结果的前提下极大地提高了计算效率.

基于有限元法的钢管混凝土等效剪切模量研究

提出了一种采用有限元法计算钢管混凝土受剪时等效剪切模量的方法,并对该方法的正确性进行了验证;在分析了各种因素对等效剪切模量影响的基础上,给出了圆形和方形钢管混凝土受剪时等效剪切模量的简化计算公式;与其他得到钢管混凝土剪切模量的方法进行比较,分析了结果不同的原因,表明对钢管混凝土采用有限元计算研究其等效剪切模量的方法更为合理.

剪切和扭转工况下微纳米薄壁蜂窝的等效剪切模量计算

分别针对剪切和扭转两种工况给出了微纳米薄壁蜂窝等效剪切模量的解析计算方法。该方法综合考虑了由面板对芯层的约束导致的高度效应和当蜂窝胞壁厚度进入微纳米量级时引起的尺度效应。首先对蜂窝各胞壁选取了可反映面板约束以及受力状态的三角级数位移场,然后在本构关系中引入修正偶应力理论以描述尺度效应,最后应用能量均匀化方法求得蜂窝的等效剪切模量。以典型六边形蜂窝为例,给出了完整的计算过程和结果。与文献中的等效剪切模量结果进行对比,讨论了不同工况下等效剪切模量随芯层高度和胞壁厚度的变化趋势,以及高度效应和尺度效应之间的相互影响。

长丝束等效剪切模量测试

为获得更为符合实际的长丝束等效剪切模量,基于单纤维剪切模量的扭摆测试法,设计并搭建长丝束等效剪切模量试验装置。通过测试计算不同线密度、不同预加张力下的长丝束等效剪切模量,讨论了等效剪切模量与这些参数之间的关系。结果表明,长丝束的等效剪切模量是动态模量,可以根据工艺中长丝束实际的结构参数"线密度"与工艺参数"预加张力"测试计算而得。相比传统的剪切模量计算方法(假设长丝束为均质、各向同性材料),由此测得的等效剪切模量可使长丝束动力学模型的仿真结果更符合实际。

方形孔构型的周期性多孔材料等效剪切模量及尺寸效应研究

以圆筒扭转力学模型为基础,通过有限元方法求解周期性多孔材料的等效剪切模量并验证其尺寸效应。建立了方形构型的蜂窝几何参数与体胞尺度系数n及材料体分比v的解析关系,结果表明,方形孔构型蜂窝材料的等效剪切模量随体胞尺度系数n的增大而减小;当n→∞时,多孔材料的等效剪切模量趋近于一个恒定值。

Nomex蜂窝芯体面外宏观剪切模量预测与验证

Nomex蜂窝芯体材料的结构复杂性与正交各向异性力学性能给设计和分析带来诸多不便。基于简化的Kelsey模型表征单元,建立了考虑Nomex纸厚度与表面酚醛树脂厚度的有限元分析模型,用于获取Nomex正六边形蜂窝的面外宏观剪切模量。通过对Nomex纸进行拉伸试验,获得了Nomex纸纵向和横向的杨氏模量值。参照ASTM C273标准,开展了Nomex蜂窝芯体材料剪切性能的试验研究,并将分析结果与试验结果进行对比,验证了分析模型的有效性,所发展的有限元模型可用于预测Nomex蜂窝的宏观面外剪切模量,也可用于Nomex蜂窝材料设计分析。

基于颗粒接触理论的深层砂土剪切波速度

为了研究深层砂土剪切波速度,首先假设深层砂土为不规则排列等球体颗粒的集合体,在颗粒接触理论以及细观颗粒弹性力学的研究成果上推导出砂土的等效剪切模量,继而得到宏观剪切波速计算公式;然后分析了孔隙率、饱和度、内摩擦角、土粒密度、应力大小以及砂土颗粒的弹性模量和泊松比等因素对剪切波速的影响,最后将理论方法计算结果与深层砂土实测剪切波速进行了对比验证.结果表明:理论方法计算得到的结果与实测结果吻合较好,剪切波速度主要受孔隙率、应力大小及砂土颗粒弹性模量等因素影响显著;高应力状态下,尤其是当密实度达到100%后,应力增长会导致剪切波速继续增加.

基于微观尺度的砂土剪切波速度

运用宏观等效与微观接触理论相结合的方法研究砂土剪切波速度。在宏观上将砂土看作均匀连续各向同性介质,在微观尺度上假设砂土为等效球体半径相等、材料性质相同、随机堆积的固体颗粒的集合体,结合颗粒接触理论,引入颗粒形状修正系数,推导出砂土的等效剪切模量和宏观剪切波速度公式。通过定量计算进行参数分析。研究结果表明:孔隙比、砂土颗粒弹性模量、埋深和颗粒形状修正系数对砂土剪切波速的影响显著;有效内摩擦角、砂土颗粒泊松比、砂土密度和与配位数有关的常数对剪切波速影响较小。将理论计算结果与实测值进行对比,吻合较好,验证了本方法的可行性与正确性。

废旧轮胎颗粒-砂混合物的水平循环剪切特性试验研究

对废旧轮胎颗粒-砂混合物进行水平循环剪切试验,研究竖向荷载、轮胎颗粒含量以及轮胎颗粒尺寸3种因素对混合物的等效动剪切模量和等效阻尼比的影响.结果表明:竖向荷载越大,轮胎颗粒与砂混合物的动弹模量越大,等效阻尼比越小;轮胎颗粒含量增加,混合物的等效动剪切模量与等效阻尼比并不是都呈单调变化;试验中,在相同条件下,小粒径的轮胎颗粒与砂混合物的动弹模量相对要小,等效阻尼比要大一些.上述的试验结果给废旧轮胎颗粒-砂混合物在工程应用提供一定的参考.

共固化穿孔纤维增强阻尼薄膜结构面内力学性能研究

共固化穿孔纤维增强阻尼薄膜结构(CCPFRDFE)是一种大阻尼、高层间结合性能的新型阻尼处理模式,在空天技术、尖端武器、快速交通等领域具有广阔的应用前景。但复杂的结构为其力学性能的研究增加了难度,未知的力学性能限制了该新结构的开发与应用。介绍了CCPFRDFE的制作工艺,建立了CCPFRDFE有限元模型,并搭建实验平台对有限元模型进行了验证。利用有限元模型,分别研究了纤维增强阻尼层穿孔孔径、孔距和阻尼材料厚度对CCPFRDFE面内等效弹性参数的影响规律。结果表明,增加穿孔孔径、减小孔距、增加阻尼层厚度有利于提高CCPFRDFE面内等效剪切模量,但不利于提高面内等效弹性模量。所得结果将为非连续阻尼薄复合材料的振动特性研究与大挠度设计奠定基础。

界面粘性滑动对纤维复合材料横向剪切变形的影响

研究了扩散控制的界面滑动对纤维复合材料的横向剪切变形行为的影响。基体和纤维为弹性的,而界面滑动速率正比于界面剪应力。作为辅助问题,首先考虑了单根纤维嵌在无限大基体的特殊情形,导出了纤维和基体中随时间变化的应力场。其次,应用平均场方法给出了任意时刻复合材料的总体响应。数值结果表明复合材料的横向剪切模量随着界面滑动的发生将显著减小。

冲击波作用下铝的等效剪切模量

提出了冲击波作用下通过测量沿着准弹性卸载过程纵波波速与体波波速得到等效剪切模量的方法,应用该方法对LY12铝在20—70GPa冲击压力下的等效剪切模量进行了测量.实验结果表明,等效剪切模量随应力线性减少直至反向屈服时为零,而初始卸载时的等效剪切模量可以由修正的Steinberg-Cochran-Guinan模型进行描述.应用得到的等效剪切模量进行了初步数值模拟,计算结果与实验测量的粒子速度剖面符合很好,重现了准弹性卸载到塑性卸载的光滑过渡.

关于蜂窝芯体面外等效剪切模量的讨论

对于六边形蜂窝芯体,其面内等效参数具有确定的解析式,便于应用;相比之下,对于面外等效剪切模量,现有工作只能给出其上下限,由于没有确定的取值,给工程计算带来了困扰.为克服这一矛盾,论文通过Y型蜂窝胞元,针对薄面板的情况,重新分析了芯材的面外等效剪切模量.针对直壁板与斜壁板厚度为1:1和2:1的情况,给出了近似的弹性力学解答,并由此确定出面外等效剪切模量的上限.论文方法所确定的剪切模量的上限与文献给出的剪切模量的下限是相同的,从而使该模量也具有确定的解析表达式,方便了数值计算和分析.试验数据和有限元数值分析均验证了论文结论的正确性.

植入NiTi-玄武岩混编纤维增强体的复合材料螺旋弹簧刚度预测模型

为了预测植入NiTi-玄武岩纤维混编纤维增强体的复合材料螺旋弹簧刚度,基于复合材料细观力学推导了混编织物复合材料单层板的等效剪切模量计算公式,建立了多层异种纤维混编织物增强复合材料螺旋弹簧的刚度预测模型。制作了多层NiTi丝和玄武岩纤维混编复合材料螺旋弹簧样件。试验刚度与理论计算刚度误差为2.7%,验证了提出的刚度预测模型的正确性,这对异种纤维增强复合材料结构刚度性能预测及工程化应用具有参考意义。

考虑蒙皮效应的高层结构有限元分析

文章将蒙皮效应引入高层钢结构的计算分析中 ,对结构各组成部分进行有限元分析。在分析过程中将压型钢板等价为正交各向异性平板 ,并对其引入壳体概念。在推导单元刚度矩阵时 ,着重阐述了压型钢板等效剪切模量的形成。最后通过算例 ,将计算结果与参考结果相比较 。