嵌锁钎焊工艺的钛合金金字塔加筋点阵夹芯结构力学行为

针对制备工艺导致钛合金点阵力学性能降低的问题,提出嵌锁钎焊工艺,设计并制备钛合金金字塔加筋点阵夹芯结构,开展了在典型载荷下力学行为的研究。首先,建立金字塔加筋点阵在平压及三点弯曲载荷下发生典型失效模式的理论预报模型。随后,采用嵌锁方法制备了钛合金金字塔加筋点阵夹芯试件,采用钎焊连接的方式将嵌片间及面芯间进行连接,制备成点阵夹芯结构。然后,分别开展平压试验和三点弯曲试验,获得了结构刚度和极限载荷,分析金字塔加筋点阵夹芯结构的失效过程。最后,将嵌锁钎焊工艺制备的点阵结构平压力学性能与采用激光焊接工艺、超塑成形工艺以及3D打印工艺等方法制备的钛合金点阵结构的平压力学性能进行对比。结果表明,采用嵌锁钎焊工艺可以有效提升点阵结构的力学性能。

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。

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。

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。

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。

新型CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性研究

点阵夹芯结构因其优异的力学性能、出色的能量吸收能力、独特的功能性,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而,传统点阵夹芯结构在面外压缩载荷下存在应力分布不均匀、节点应力集中等缺点。为了解决上述问题,该研究基于体心立方结构(body-centered cubic,BCC)提出了一种新型的余弦函数单元基(cosine function cell-base,CFCB)点阵结构。为了研究CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下能量吸收特性,制备了CFCB点阵夹芯结构,开展了准静态压溃试验,并与BCC点阵夹芯结构的试验结果进行对比。结果表明,CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下的承载与能量吸收能力明显优于BCC点阵夹芯结构。随后,基于有限元模型,系统揭示了芯子单胞直径、幅值、周期长度等胞元参数及厚度方向上的单胞层数对CFCB点阵夹芯结构面外压缩载荷下吸能特性的影响。相关研究成果有望为新型CFCB点阵夹芯结构设计提供参考。

基于高阶理论的加筋复合材料夹芯结构屈曲有限元模型

加筋复合材料夹芯结构由于面板与夹芯层的力学性能差异较大,层间剪切变形明显,层间剪切应力对结构的屈曲特性影响非常明显.此外筋条与面板之间横向剪切变形也会显著地影响加筋夹芯结构的屈曲特性.因此,需要发展一种能准确计算面板与芯体之间、筋条与板之间横向剪切应力的模型来分析复合材料加筋夹芯结构的屈曲特性.文章推导了正弦型整体-局部高阶剪切变形理论,该理论满足面内位移、横向剪切应力连续条件和自由表面条件,并且未知量个数独立于加筋夹芯板的层数.基于此理论,结合离散的Kirchhoff三角形单元(DKT单元)构造了正弦型整体-局部高阶三角形板单元(SGLT),该单元满足面内位移在厚度方向的锯齿分布和横向剪切应力层间连续性条件,并通过两个数值算例验证了模型的准确性.随后评估了金属面板加筋夹芯板和复合材料面板格栅加筋夹芯板在各种几何、材料参数和边界条件下的屈曲特性.数值分析结果表明,建立的有限元模型能准确地预测加筋复合材料夹芯结构的屈曲行为.并且相较于三维有限元模型,建立的模型具有更高的计算效率.

基于逐层/实体元方法的金字塔型点阵夹芯结构静力和自由振动分析

基于逐层/实体元方法(Layerwise/Solid-Element,LW/SE),研究金字塔型点阵夹芯结构在不同边界条件下的静力与自由振动问题。首先,利用逐层理论和三维实体有限元法分别建立面板和芯体的控制方程,然后根据面板和芯体连接区域的位移协调和内力平衡条件,将面板和芯体的控制方程耦合为总体控制方程,得到点阵夹芯结构的平衡方程和自由振动方程。通过与三维弹性解对比,验证逐层/实体元方法在金字塔型点阵夹芯结构静力和自由振动分析问题上的正确性,并研究面板厚度对位移最大值和固有频率的影响规律。

基于高频动态响应的点阵夹芯结构损伤识别研究

针对点阵夹芯结构的脱焊损伤,提出了一种基于高频激励下结构ODS(operational deflection shapes)的损伤检测方法。ODS包含结构的整体动态响应特性,尤其是高频激励下损伤区域的局部振动信息。首先通过仿真计算出损伤局部区域的特征频率,选取合适的高频宽频带激励损伤结构。然后,采用压电片与扫描式激光测振仪结合,检测高频稳态信号激励下损伤结构的动态响应,综合考虑频段内多个频率下的ODS,由损伤成像中共振峰的位置,直接定位损伤。仿真与试验均验证了该方法识别损伤的有效性。

点阵夹芯结构非接触式损伤成像研究

针对点阵夹芯结构的脱焊等损伤问题,提出了基于高频动态响应的非接触式损伤成像技术,根据无基线损伤指标分析结构高频响应,实现脱焊损伤成像。数值仿真中,依据局部共振理论,以损伤区域低阶固有频率作为中心频率计算结构在声场激振下宽频段内振动响应,采用无基线损伤指标实现损伤成像,由损伤成像结果准确识别脱焊损伤位置;试验中,采用扬声器激振,扫描时激光测振系统进行全场振型拾取的非接触式试验测量方案,成功识别脱焊损伤的位置。验证了非接触式成像技术对点阵夹芯结构脱焊损伤检测的适用性与可行性,实现了无附加结构质量、无健康基准信号下的损伤识别。

点阵夹芯结构拱形防护门抗爆性能研究

传统钢制防护密闭门采用梁板式结构,存在门体笨重、结构形式单一的不足,在冲击波设计荷载作用后又存在开启困难、抢修不易的问题,因此提出一种采用金字塔型点阵夹芯的点阵拱形防护密闭门。采用有限元数值模拟方法,在忽略门框、铰页和闭锁的影响下,系统分析了前面板厚度、后面板厚度、点阵夹芯支撑杆尺寸等参数对防护性能的影响规律,给出最优设计方案。经核6级冲击波作用的验证,较传统的梁板式防护密闭门,点阵拱形防护门后面板位移较小,且其质量仅为梁板式防护密闭门的37.71%,防护性高、质量轻便,达到了设计目标。

钛合金点阵夹芯结构弯曲性能

通过理论、试验、数值模拟3种方法研究3D打印钛合金金字塔型点阵夹芯结构在两端简支三点弯曲载荷下的响应,试验中通过裂纹观测仪监测加载过程。结果表明:在弯曲载荷下,夹芯结构损伤区域主要在弯矩最大中线处附近;试件首先在上面板出现塑性变形,随着第一层杆件的屈曲,载荷迅速下降。通过扫描电子显微镜(SEM)观测断口形貌,验证面板及杆件均为弯曲变形失效。基于ABAQUS软件,建立结点刚硬点阵夹芯结构有限元模型,对结构的渐进损伤过程进行预测,获得损伤起始位置、损伤扩展、破坏载荷及最终破坏模式等结果,模拟结果与试验结果吻合较好。通过有限元模型分析宽度方向不同单胞列数的影响,结果表明列数越多,边界影响越小,结构承载能力越强。

多层梯度点阵夹芯结构抗爆性能研究

基于CONWEP对多层梯度点阵夹芯板在爆炸载荷下的动态响应进行了模拟研究。在相同爆炸载荷下,对四种梯度点阵模型的后面板中心挠度峰值进行了对比分析,讨论了各模型每层芯子的总变形能随相对密度比的变化规律,并对多层点阵夹芯板各层的变形情况进行了比较。分析结果表明:对于三层金字塔点阵夹芯结构,强弱相间的点阵夹芯板充分利用了前两层芯子的变形吸能,从而对第三层芯子和后面板起到了很好的保护作用;且在350g TNT炸药和200mm爆距的爆炸载荷下,相对密度比为0.5的强弱相间点阵夹芯板的后面板中心挠度峰值最小,抗爆冲击性能最优。

轻质点阵夹芯结构主动换热性能影响因素分析

针对点阵夹芯结构换热性能影响因素问题,采用翅片法推导四面体型点阵结构等热流密度和等壁面温度边界条件下的努塞尔数,以此表征结构的换热性能,并与实验结果进行对比。进而讨论结构支杆长度、支杆直径、导热系数和流动方向单胞个数对结构换热性能的影响,并比较相同孔隙率下四面体型、金字塔型和Kagome型点阵结构的换热性能。结果表明,点阵结构支杆长度和流动方向单胞个数对结构换热性能影响较大,Kagome型结构换热性能明显优于其他两类。

基于序列二次规划算法的点阵夹芯结构优化设计

为了研究夹芯单胞变化对结构承载能力的影响,建立了点阵夹芯结构的优化设计模型,以结构刚度最大为目标函数,考虑体积约束及单胞尺寸约束对夹芯单胞尺寸分布进行优化设计,并以四面体单胞夹芯结构的优化设计为例进行详细方法说明.采用序列二次规划法求解优化模型,完成了以结构刚度最大为目标的井字梁夹芯结构的优化设计,验证了模型、方法及优化效果.

多级金字塔夹芯结构的抗冲击及吸能性

讨论了有着相同重量的一阶和二阶金字塔点阵结构在冲击载荷作用下的抗冲击和吸能性.用有限元分析软件ABAQUS建立了一阶金字塔芯体夹芯结构和二阶金字塔芯体夹芯结构在冲击载荷作用下的三维有限元模型,分析了在冲击载荷下有着相同相对密度和相同体重的两种芯体结构的位移与加载时间的关系,比较了两种芯体结构随着无量纲冲量和相对密度增加时的抗冲击能力,并分析了夹芯结构的吸能机理及两种芯体结构的吸能能力.结果表明,两种芯体结构中储存内能的80%以上均来源于塑性能释放.随着无量纲冲量的增加,两种芯体结构的吸能率在增加,二阶金字塔芯体结构在无量纲位移趋于平缓后其吸能率和抗冲击性能与一阶金字塔芯体结构相接近.

含空腔点阵增强夹芯结构的固有振动分析方法

[目的]为研究芯层含多种组分的含空腔点阵增强夹芯结构的固有振动特性,探讨此夹芯结构的固有振动分析方法,[方法]首先,通过体积平均,将圆台形空腔近似视为圆柱形空腔来处理,采用多层次均匀化的思路,将含增强柱和空腔的复杂芯层等效为正交各向异性材料,并利用Mori-Tanaka方法进行2次单相夹杂处理,获取芯层的等效弹性模量。然后,基于一阶剪切变形理论建立运动学方程,进一步利用芯层等效弹性模量的计算值,采用双三角级数求解四边简支含空腔点阵增强夹芯结构的固有频率。最后,在此基础上,分别探讨芯材面板模量比、点阵增强柱体积比和空腔体积比对含空腔点阵增强夹芯结构固有频率的影响规律。[结果]与有限元计算结果的对比显示,固有频率的相对误差不超过3%,验证了该方法的正确性。[结论]所提方法可快速、准确地计算含空腔点阵增强夹芯结构的中、低频固有频率,且数理模型清晰,公式简单,易于对其规律进行研究。

泡沫夹芯复合材料加筋结构振声特性研究

为了研究泡沫夹芯复合材料加筋结构在工程应用中的振声效果,针对泡沫夹芯复合材料加筋板格结构和钢制板格结构,开展了空气中的振动模态对比试验,试验结果表明,与钢制结构相比,夹芯复合材料加筋板格的前三阶固有频率提高2倍以上,应用泡沫夹芯复合材料加筋结构能在减轻结构重量的同时,大幅提高整体结构刚度。基于Layerwise理论对复合材料加筋板格结构的模态试验进行仿真计算,计算结果与试验结果吻合,验证了仿真计算方法的准确性;在此基础上,仿真计算泡沫夹芯复合材料加筋板格结构在空气和流体介质中的模态和频响特性,并分析加强筋尺寸对板格固有频率的影响规律,为工程应用提供参考。

多级金字塔夹芯结构的耦合热传导和热应力分析

建立了一阶金字塔夹芯结构和二阶金字塔夹芯结构的三维有限元热传导模型,分析了两种夹芯结构的瞬态热传导及瞬态热传导和辐射相耦合换热性能,对比了两种芯体结构中热传导性能,并以此为基础对两种夹芯结构产生的热变形和热应力进行了分析.结果表明,在考虑芯体材料辐射后,二阶金字塔芯体结构的传热能力高于一阶金字塔芯体结构,结构中的热应力低于一阶金字塔芯体结构.

点阵增强夹芯结构吸声复合材料制备及性能研究

采用连续纤维增强吸声芯层,并利用真空辅助成型工艺整体成型了结构吸声复合材料。采用QT/25试验机测试了结构吸声复合材料的抗平压性能、弯曲刚度;采用脉冲声管测试系统测定了结构吸声复合材料水下吸声性能。试验结果表明,吸声芯层、复合材料面板与增强结构三者复合良好、无缺陷,验证了连续纤维增强吸声芯层以及真空辅助成型工艺整体成型结构吸声复合材料技术可行性。与同类型材料相比,含点阵增强结构的材料的平压性能提高了一个数量级,弯曲刚度提高了一倍,声学性能无明显变化。