局域共振夹芯超结构梁带隙特性及实验研究

本文提出了一种新型局域共振夹芯超结构梁,该结构由夹芯梁基体和由软材料包裹质量块组成的局域共振单元构成。分别采用传递矩阵法和有限元法计算了该结构的带隙分布和振动传输特性,搭建了局域共振夹芯超结构梁的振动传输测试实验平台,并与数值计算结果进行对比验证,最后分析了结构参数对结构带隙分布特性的调控规律。研究结果表明,该结构在低频范围内共出现两条弯曲波带隙,带隙频率分别为196.1~339.0 Hz和377.2~655.6 Hz。而完全带隙位于弯曲波带隙内,频率范围为380.0~423.6 Hz。且在这两条弯曲波带隙范围内,弯曲振动传输会发生明显的减弱现象。另外,局域共振夹芯超结构梁的结构参数会对带隙分布特性产生较大影响,通过合理选择结构参数,可以实现局域共振夹芯超结构梁低频率和高带宽的减振要求。

挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度的可靠性及灵敏度分析

以挖补修理复合材料蜂窝夹芯结构为研究对象,考虑胶层性能的不确定性,通过ABAQUS-MATLAB-Python联合仿真,建立挖补修理蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进损伤分析模型,得到随机变量与其所对应的输出响应。基于蒙特卡罗法进行可靠性分析,采用基于方差和失效概率的全局灵敏度分析方法进行参数灵敏度分析。结果表明:外载荷在不同数值区间下结构失效概率具有较大差异,在接近极限破坏载荷时失效概率显著增加;胶层厚度方向的弹性模量和面内两个相互垂直方向上的剪切模量对挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度方差和失效概率的影响较大。

轻木夹芯/碳纤维复合材料结构后推构型无人机机身设计与分析

设计了一款后推构型轻木夹芯/碳纤维复合材料结构无人机机身,完成了机身气动外形设计、流场分析和内部结构设计。建立了机身结构有限元模型,完成了结构刚度校核。编写子程序,将3D Hashin失效准则嵌入计算模型,基于三类失效模式构建极限状态函数g(x),对机身结构进行了强度及稳定性校核。采用等步长施加超设计载荷,预测了结构的初始损伤位置及模式。对机身蒙皮铺层方案进行了优化设计,采用g(x)函数对更改铺层方案后的结构性能进行了评估。研究结果表明:着陆工况和最大飞行速度工况的机身蒙皮表面压强最大值均在机头整流罩区域。两种工况的极限状态函数g(x)均大于0,最大位移分别为3.076 mm和2.92 mm,机身结构满足刚度、强度和稳定性要求。对着陆工况施加1.17倍设计载荷时,油料舱下壁板轻木芯材发生压缩分层初始损伤。机身结构失稳发生于侧面蒙皮,提高45°铺层占比可提高蒙皮的稳定性。玻纤蒙皮铺层优化后,在质量不变的条件下,结构稳定性裕度提高了7.2%。

孔槽泡沫夹芯复合材料真空辅助树脂传递工艺仿真与优化

本工作提出了孔槽泡沫夹芯复合材料的设计方案并针对真空辅助树脂传递(VARI)工艺进行了实验和仿真研究。首先,通过实验测得玻璃纤维织物和树脂的相关参数,利用Hagen-Poiseuill方程和达西定律算出孔洞和沟槽的等效渗透率;接着,利用PAM-RTM模拟孔槽泡沫夹芯复合材料的VARI工艺过程,并与实验结果进行对比;然后,使用PAM-RTM研究了芯材加工参数、树脂灌注方式和导流网铺敷区域对成型过程的影响,并选出了最优方案;最后,在此方案的基础上研究了树脂黏度与灌注时间的关系,并拟合得到了预测函数。结果表明:实验结果与仿真结果基本一致;最优灌注方案可显著缩短树脂填充时间并降低整体孔隙率;预测函数可准确预测灌注时间,对实际生产具有一定的指导意义。

孔柱锥度对纤维柱增强夹芯结构压缩性能的影响

纤维柱增强泡沫夹芯材料孔柱在加工过程中会产生一定的锥度,为研究孔柱锥度对夹芯结构压缩性能的影响,设计并制备了15组不同锥度孔柱的纤维柱增强复合材料。对制备的夹芯结构进行准静态压缩试验并结合数值模拟,研究了孔柱锥度与芯材厚度对夹芯结构压缩强度、模量、比强度以及失效形式的影响。结果表明:芯材厚度为25 mm、30 mm、35 mm的夹芯结构,孔柱锥度由0°提升至16°后,压缩强度分别提升了14.7%、22%、24.8%,压缩模量分别提升了25.9%、31.6%、37.7%,比强度分别提升了4%、9.95%、10.24%;孔柱锥度较小和无锥度孔柱的夹芯结构失效形式为纤维柱的屈曲、断裂,且屈曲、断裂位置随着孔柱锥度的增大逐渐向孔径较小的一端偏移;当孔柱锥度提升至16°时,夹芯结构中部分纤维柱孔径较小的一端与面板发生脱黏,导致纤维柱未能起到良好的支撑效果,影响材料的力学性能。

增材制造点阵夹芯混合结构的振动特性

采用增材制造(additive anufacturing,AM)技术制备了钛合金点阵夹芯梁,使用硅橡胶作为阻尼材料对点阵空隙进行了填充。测试对比了有/无填充的点阵夹芯悬臂梁的模态振型,并对其进行了扫频振动激励。试验结果表明:填充阻尼材料不会改变结构振型,但可显著降低振动响应幅值。开展了硅橡胶的动态力学分析试验(dynamic mechanical analysis,DMA),结合广义麦克斯韦(generalized Maxwell model,GMM)粘弹性模型,标定了频域粘弹性模型参数。通过硅橡胶单轴拉伸试验标定了多项式型超弹性模型参数。基于粘超弹性模型及标定参数,对有填充的点阵夹芯悬臂梁进行了振动响应有限元模拟,与试验结果相符,证明本文采用的粘超弹性模型和其参数标定方法可有效用于混合结构的振动特性计算。

复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击后压缩强度的可靠性与灵敏度分析

建立了一种复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击后压缩强度的可靠性与灵敏度分析方法。利用ABAQUS有限元分析软件和VUMAT子程序建立了蜂窝夹芯结构冲击后压缩渐进损伤失效分析模型,并通过试验验证模型的有效性;在此基础上,利用Python语言对模型中材料力学性能和面板厚度、蜂窝芯子厚度进行参数化;采用径向基神经网络代理模型替代渐进损伤失效分析模型;基于蒙特卡洛法进行冲击后压缩强度的可靠性分析;分别采用基于方差和基于失效概率的方法进行参数的灵敏度分析,并研究参数的变异系数对结构可靠性的影响。结果表明:在外载荷低于10000 N,结构失效概率小于0.00017的情况下,当外载荷达到12700 N时,结构失效概率达到0.9;面板的力学性能、面板厚度、蜂窝芯厚度对冲击后压缩强度的影响较大;冲击后压缩强度的变异系数随着参数变异系数的增大而增大。

3D打印点阵夹芯结构冲击损伤的近场动力学模拟

为了有效模拟3D打印点阵材料夹芯结构在弹丸冲击下的损伤破坏行为,在近场动力学微极模型中引入塑性键,构建了适用于点阵材料夹芯结构的模型和建模方法,在验证模型准确性的基础上,模拟分析了低速和高速弹丸冲击下点阵材料夹芯结构的损伤模式与破坏机理。结果表明:低速冲击下3D打印点阵夹芯结构的破坏模式以局部塑性变形为主;高速冲击下,破坏模式表现为溃裂、孔洞贯穿和碎片喷射,并伴随着大范围的塑性变形。低速冲击下塑性变形范围随冲击速度升高而增大,而高速冲击下则相反。高速冲击下,点阵夹芯结构的贯穿过程分为面板接触、局部屈服、芯材压溃、穿透4个阶段,弹丸经历了急-缓-急3段减速过程,并对应2个加速度高峰,第2个加速度峰值低于第1个加速度峰值的50%;低速冲击过程中,弹丸仅有1次减速过程,加速度峰值随冲击速度的升高而增大,最终弹丸反弹。

多孔钛合金夹芯层陶瓷/UHMWPE复合结构的抗侵彻性能

陶瓷/纤维复合装甲的纤维背板由于其刚度较低,无法为陶瓷面板提供足够的支撑,削弱了陶瓷面板对弹丸的侵蚀作用。为了增强复合装甲的整体结构刚度,在陶瓷/纤维复合装甲中加入了金属夹芯层材料,通过试验和数值模拟研究了夹芯复合装甲对12.7 mm穿燃弹的抗弹性能。试验结果表明,穿燃弹弹芯表现出脆性断裂的失效模式,复合材料装甲表现出多种失效模式,包括夹芯层的花瓣形扩孔,UHMWPE(ultra-high molecular weight polyethylene)层压板的分层和凸起变形。建立了三维数值模型来分析整个弹道响应的演变,通过试验结果验证了模拟的准确性。模拟结果表明,12.7 mm穿燃弹的被甲会对陶瓷造成损伤,同时陶瓷会侵蚀弹芯的尖卵形头部,使弹芯头部变钝从而削弱弹芯对UHMWPE背板的侵彻能力。残余弹体的动能大部分由UHMWPE层吸收,UHMWPE层压板的失效模式会随着层数的增加由剪切失效转变为拉伸失效占主导地位。此外,作为夹芯层的多孔TC4板能够为陶瓷面板提供支撑,提高陶瓷面板的吸能效果以及弹体的侵蚀作用,并且12 mm孔径的TC4夹芯层能够提供更大的刚度支撑,使整体复合结构的吸能效率提升10%。

复合夹芯导流罩流激噪声数值模拟与控制研究

航行过程中,潜艇壁面与周围流场相互作用而产生的流激噪声会对透声窗结构产生严重危害,因此,有效控制流激噪声具有非常重要的意义。首先采用统计能量法对潜艇首部模型进行流激噪声预报,根据不同航速以及距湍流层前端距离进行分析,得出不同材料对流激噪声的影响规律;其次,针对导流罩低噪声和高透声的要求提出一种3层复合夹芯结构设计,通过选用阻尼材料和设计4种铺层方案对比分析。结果表明,铺层方案为碳纤维/阻尼材料2/钛合金,铺层厚度为10 mm/10 mm/3.55 mm是降噪性能好、透声性强的最优方案,研究成果可为实际应用提供参考。

金属夹芯板替换传统板筋结构的研究

为实现金属夹芯结构甲板对传统板筋结构甲板的替代,采用有限元软件计算金属夹芯结构的失效模式,找到替代传统加筋板强力甲板的金属夹芯结构腹板面板设计要求准则,并在满足该准则要求的前提下以4种优化原则为筛选条件,通过枚举法对比整体欧拉应力,得到最佳的金属夹芯结构替代方案。当以传统加筋板结构为替换对象时,根据减重和降低高度等工程需求,对金属夹芯基本单元的设计提出3种原则,以欧拉应力最大为前提,原则1为不减高、不减重,原则2为减重、不减高度,原则3为减高、不减重。以板厚度为10 mm,球扁钢型号为10#的加筋板为研究对象,分别得到各设计原则下的最优替代方案。所作研究有助于找到由金属夹芯结构替代不同尺寸传统加筋板的最佳方案。

复合材料夹芯结构低速冲击性能研究

复合材料夹芯结构为电子设备与外层蒙皮提供了一体化设计的思路,可以大幅降低飞行器的结构重量。通过低速冲击试验和ABAQUS仿真研究了5 J和10 J冲击能量下某飞行器复合材料机翼蒙皮典型夹芯区域在低速冲击下的性能。随着冲击能量的增加,复合材料泡沫夹芯结构的能量吸收率由5 J的72.0%提升至10 J的76.0%。由仿真结果可知,当冲击能量达到10 J时,出现了纤维损伤,且损伤沿表层铺层角度扩展,基体压缩损伤主要出现在冲击正面,基体拉伸损伤主要出现在冲击背面,损伤随冲击能量的增加而变大。当冲击能量达到10 J时,上面板与泡沫芯体粘接处也产生了较大的损伤。

点阵夹芯圆柱壳自由振动分析的波有限元方法

针对点阵夹芯圆柱壳的自由振动分析发展了波有限元法.首先基于自由波的传播规律,建立了点阵夹芯圆柱壳胞元的二维波有限元控制方程,相比于全尺寸有限元模型,显著缩减了控制方程的自由度规模;其次,基于Neumann级数推导了约束动刚度矩阵求逆的显式表达式,不仅可以提高计算效率,而且使得固有频率从控制方程中分离出来,从而将点阵夹芯圆柱壳的固有频率求解转化为单个胞元自由度规模的二次特征值问题;最后,根据结构振动模态与自由波的关系,给出了圆柱壳轴向和周向的波传播参数的表达式,进而求得点阵夹芯圆柱壳的固有频率和模态.数值算例考虑了多种边界条件下的点阵夹芯圆柱壳自由振动问题,验证了该方法的正确性和高效性.

双三角点阵夹芯结构低速冲击下的动态响应与失效机制

采用非线性有限元仿真方法研究双三角点阵夹芯结构抗冲击性能,使用直径为16 mm的半球形冲击器以不同的冲击能量分别对夹芯板的节点和基底位置进行冲击,研究了点阵夹芯板的失效机理和动态响应,以及各个变量对夹芯板的抗冲击性能的影响规律。结果表明:双三角点阵夹芯结构的主要失效形式为面板的基体拉伸破裂;芯子的失效形式受自身结构和受力方式影响,主要为脆性坍塌断裂和塑性变形。载荷-时间曲线表明,冲头能量与冲击位置对夹芯板的损伤失效行为有着显著的影响。相同冲击能量下,与基底冲击相比,夹芯板在节点冲击时的损伤程度及载荷峰值都更优,抗冲击性能更加优异;高冲击能量下,节点冲击的吸能效果更优,但二者载荷变化趋势却越来越相似。

蜂窝夹芯雷达罩抗鸟撞冲击性能仿真分析

在雷达天线罩抗鸟撞冲击响应有限元分析中,为了有效克服有限单元法在模拟鸟体局部大变形计算中的不稳定性以及更好地模拟鸟体铺展、飞溅效果并提高鸟体与天线罩接触区域的计算精度,需要采用FEM-SPH耦合方法模拟鸟体高速撞击天线罩的动态力学响应过程。文章分别采用FEM、SPH和FEM-SPH耦合方法对1.8 Kg的鸟体以150 m/s的相对速度撞击天线罩三明治夹芯结构的不同位置开展了有限元仿真研究。仿真结果表明,FEM-SPH耦合方法能够充分发挥FEM法和SPH法各自的优势,能更精细地描述鸟体撞击到天线罩上的变形、失效以及铺展过程。进一步研究发现,泡沫铝夹芯层材料在吸能方面起着主要作用,且鸟撞位置对天线罩的整体变形具有显著影响,鸟撞最危险位置发生在雷达天线罩正面中心靠下位置,此时最大位移为123.5 mm,为上部位置最大位移值的1.8倍。

组合式陶粒加气混凝土夹芯砌块的研制

以轻质陶粒、水泥、粉煤灰作为主要原料制备的陶粒加气混凝土为砌块的受力体,分布在砌块的内外叶,绝热泡沫塑料夹芯为砌块的保温主体,硬质金属连接件为内外叶块及夹芯的连接件,制成的组合式陶粒加气混凝土夹芯砌块符合现阶段建筑节能要求。介绍了组合式陶粒加气混凝土夹芯砌块的研制过程及其生产技术。采用Ω形碳钢镀锌金属连接件、陶粒防上浮技术、坯体养护技术,通过不同厚度的内外叶、绝热泡沫塑料的组合,制备的组合式陶粒加气混凝土夹芯砌块可满足超低能耗建筑要求。

RTM成型PMI泡沫夹芯制件界面超声检测异常研究

为了研究RTM成型PMI泡沫夹芯制件中PMI泡沫-碳纤维板材间界面超声波C扫描波形差异的影响因素,设计了6组比对试验,采用超声波C扫描测试了不同方法的PMI泡沫夹芯制件的界面。结果表明,薄蒙皮的PMI泡沫夹芯制件在出现分层情况下界面回波达到100%,其他回波情况下均不会出现泡沫与蒙皮脱黏情况。

夹芯复合材料在轨道交通领域的应用及研究进展

夹芯复合材料,以其优异的力学性能和减重效果,在轨道交通领域得到了广泛的应用。本文介绍了三类常用的夹芯复合材料,列举了其在国内外轨道交通领域的典型应用,简述了夹芯复合材料的研究进展,建议后续可以在行业标准、计算机辅助设计、工艺改进和多功能化这几个方向做更深入的研究。

复合混凝土材料及不同蜂窝夹芯结构的力学性能综述

为全面开展复合混凝土材料制备蜂窝夹芯板的研究,综述了国内外关于稻草秸秆纤维与纳米二氧化硅复合混凝土材料及蜂窝夹芯结构的研究,分析了各种检测方法,概述了稻草秸秆纤维与纳米二氧化硅复合混凝土材料及不同蜂窝夹芯结构的力学性能,对复合混凝土材料蜂窝夹芯板研究及应用趋势进行总结。

GFRP-轻木夹芯结构Ⅰ/Ⅱ混合型界面剥离试验研究

为研究工程适用性轻木夹芯复合材料结构的界面粘结性能及剥离破坏机制,对不同跨高比的玻璃纤维增强复合材料-Balsa轻木(GFRP-Balsa)夹芯结构进行了单臂弯曲试验(SLB),得到了此种界面的I/II混合型剥离破坏模式、荷载-位移变化规律及裂纹扩展长度曲线,计算了界面裂纹应变能释放率,验证了界面裂纹线性扩展准则的适用性。结果表明:裂纹发展过程中会破坏玻璃纤维面层,界面剥离后芯材表面出现玻璃纤维的分层和断裂;试件跨高比越小,界面剥离裂纹萌生所需时间越长,裂纹扩展速率越小,且剥离极限荷载也越大;发生界面剥离后,随着裂纹的持续扩展,剥离荷载呈下降趋势;剥离界面应变能释放率随裂纹扩展呈上升趋势,且随跨高比的减小而显著增加。