波纹型复合材料蒙皮拉伸变形特性研究与仿真分析

首先介绍了国内外变体机翼和蒙皮结构的研究现状,提出了满足变体机翼蒙皮连续光滑以及大变形需求的波纹型复合材料蒙皮结构。建立了复合材料的密度、各相所占体积分数以及各向弹性模量的计算表达式。根据计算结果利用MSC.Patran/Nastran进行了有限元仿真分析。制备了平板型和波纹型蒙皮试验样件,并进行了样件拉伸试验。最后将仿真结果与拉伸实验进行了比较和分析,验证了仿真模型的正确性与波纹型蒙皮的大变形能力,为进一步的实验研究与蒙皮优化提供了依据。     

不同单胞形貌和承载方向下蜂窝结构吸能特性及防冲能力评估

为研究单胞形状和承载方向对蜂窝结构力学性能及失稳模式的影响,采用增材制造技术制备了不同蜂窝结构并进行了试验与动态仿真模拟。结果表明:蜂窝结构应力曲线呈四阶段变化趋势;单胞对角承载的六边形蜂窝结构拥有最高的平台应力以及总应变能密度;单胞的坍塌主要原因在于单胞的剪切变形,四边形蜂窝单胞在剪切变形同时胞壁发生严重的屈曲失稳;整体蜂窝结构的失稳模式为基于斜向或横向初始变形带的两类逐层坍塌模式;在大尺寸蜂窝结构仿真模拟中其防冲能力得到了评估,结构吸能值能达10⁵J,满足吸能防冲器要求。所得结论能为液压支架防冲吸能器的设计提供理论依据。     

普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩性能

利用MTS 810材料试验机对真空钎焊普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩性能进行了实验测试. 分析了面外压缩变形特性以及结构参数对蜂窝夹芯板面外压缩强度的影响. 研究发现,普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩变形可分为弹性变形、塑性变形和压实三个阶段. 蜂窝胞壁厚度与胞壁边长的比值t/a是影响塑性变形初期变形方式的主要因素. 比值t/a＞0.0427时,塑性变形初期以屈服方式进行;t/a7＜0.0427时,塑性变形初期以屈曲方式进行. 在结构参数对性能的影响中,胞壁厚度对蜂窝夹芯板的初始压缩强度和峰值抗压强度影响最大,胞壁边长的影响次之,而面板及夹芯厚度的影响较小.     

考虑组分相互作用的飞艇蒙皮材料力学模型

平流层空间空气稀薄,昼夜温差变化剧烈,巡航状态的平流层飞艇需要承受较大的循环压差载荷。蒙皮作为平流层飞艇的主要承力结构,其材料力学性能直接影响着飞艇的使用性。针对蒙皮材料层压结构特点,构建其细观结构模型。通过研究拉伸过程中纤维纱束与基体和膜层的相互作用,指出承力方向纤维纱束的变形过程分为弯曲状态逐步拉直和产生伸长形变两个阶段。建立了蒙皮材料拉伸过程的非线性力学模型;并通过与准静态拉伸试验获得的材料应力-应变曲线进行对比分析,校验了模型的准确性并分析了模型参数的改变对材料力学性能的影响,为平流层飞艇蒙皮材料结构优化设计提供依据。     

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。     

考虑宽应变率的修正Johnson-Cook模型及蜂窝板动态力学响应模拟

本文以Ludwik准则和Voce准则线性叠加的模型为应变硬化项、Cowper-Symonds模型为应变率项对Johnson-Cook模型进行修正,提出了一种能够反映宽应变率条件下金属材料力学行为的H/V-CS本构模型并对该模型的正确性进行了验证。此外,还基于H/V-CS模型结合有限元分析,研究了蒙皮厚度、芯层壁厚和芯层高度对蜂窝板吸能效果的影响。结果表明,本文所建H/V-CS模型可以准确地模拟金属材料在宽应变率条件下的动态力学响应;蜂窝板吸能速率随着蒙皮厚度、芯层厚度及高度的增加而增大,吸能稳定值则随着蒙皮厚度及芯层厚度的增加而减小并随芯层高度的增加而增大。     

蜂窝夹层结构材料在簇绒地毯织机主轴空间降噪中的应用

为研究蜂窝夹层结构材料对簇绒地毯织机主轴空间的降噪性能,将铺层等效有限元法引入簇绒地毯织机声学建模中,建立噪声源与蜂窝板的声场耦合有限元模型。针对蜂窝夹层结构在物理上的不连续性,采用Reissner-Mindlin夹层板剪切理论,考虑芯层横向剪切变形的影响,在求得其等效参数的基础上分析探讨铺层等效有限元模型在声学建模中的准确性和可行性。以DHU-2型簇绒地毯织机主轴振动辐射噪声为载荷,基于声学仿真软件采用无限元理论对板件进行传声特性的仿真计算,得到测点声压,同时建立蜂窝胞元尺寸与测点声压的函数关系,为工作空间声场的吸声优化提供参考。     

飞机整流罩蒙皮局部屈曲优化设计研究

针对飞机整流罩结构首先进行初步设计。采用铝合金薄蒙皮的形式,应用MSC.Nastran分析模块进行静力和线性初始屈曲计算,给出整流罩结构的特征值和局部失稳模态。研究了尾翼主结构变形对整流罩蒙皮稳局部屈曲的影响作用。最终整流罩蒙皮采用蜂窝夹层结构,解决了整流罩局部失稳的问题;同时制定出蜂窝夹层厚度的优化设计方案。通过数值优化计算,给出了整流罩蒙皮稳定性约束条件下的优化设计结果。     

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.     

铝蜂窝夹芯结构抗爆性能仿真分析与优化

利用CONWEP计算模型对铝蜂窝夹芯结构的抗爆性能进行了有限元分析，以背板最大变形和夹芯层比吸能作为抗爆性能指标，根据不同基体材料的组合结构建立了铝蜂窝夹芯结构的基准模型.基于基准模型，定量研究了铝蜂窝夹芯结构各部分结构参数和蜂窝胞元类型对其抗爆性能的影响规律.结果表明面板材料采用Al2024T351，背板材料采用RHA的组合结构具有良好的抗爆性能；相比于背板厚度变化，面板厚度的变化对铝蜂窝夹芯结构抗爆性能指标的影响更显著.应用构建代理模型的方法对铝蜂窝夹芯结构的抗爆性能进行了多目标优化设计，使铝蜂窝夹芯结构的抗爆炸冲击波性能得到了明显改善，这对抗爆结构的工程设计有一定指导意义.     

形内自相似层级类蜂窝面外冲击特性研究

为提高传统六边形蜂窝结构的抗冲击特性,基于仿生学原理,考虑层级因子的影响,在六边形蜂窝基础上提出了一种形内自相似层级类蜂窝结构。以比吸能（SEA）、初始峰值力（PCF）、载荷效率（CFE）为冲击特性评价指标,根据简化的超折叠单元理论建立一种理论模型,对类蜂窝结构的冲击特性指标进行预测,在此理论模型基础上,研究了胞元壁厚t、胞壁长度l以及胞元数目n对类蜂窝结构面外冲击平均压缩反力和比吸能的影响。结果表明,在等相对密度条件下,比吸能及载荷效率随着层级的升高而提升,其中,在10 m/s冲击速度作用下,一级蜂窝和二级蜂窝的载荷效率相比于零级蜂窝分别提升21%和40%,比吸能分别提升11%和28%;在等壁厚条件下,随着层级的提升,初始峰值力明显提高,但是比吸能及载荷效率的提升更为显著,在10 m/s冲击速度作用下,一级蜂窝和二级蜂窝的载荷效率相比于零级蜂窝分别提升77%和115%,比吸能分别提升72%和116%。所提理论模型能有效预测类蜂窝结构能量吸收性能参数,可为蜂窝结构冲击动力学研究提供理论参考。     

蜂窝结构在面内剪力作用下的变形模式

本文建立了等壁厚与非等壁厚蜂窝结构在面内剪力作用下的变形模式,导出了等壁厚与非等壁厚蜂窝结构的面内折合剪切模量G_(xy)的计算公式。     

纸蜂窝结构参数对面外承载能力的影响

通过对纸蜂窝结构特性和压缩破坏机理的分析，建立以原纸环压强度为控制的纸蜂窝结构面外载荷理论模型和临界载荷计算方法．通过理论计算与实验研究，分析结构参数对纸蜂窝面外承载能力的影响．结果表明，随着蜂窝边长、孔径比、纸壁初挠度和半波个数的增大，临界载荷均有不同程度的减小，故纸壁初变形对纸蜂窝承载能力的影响不能忽略．     

蜂窝铝的材料性能模拟计算与实验研究

基于ANSYS软件建立了蜂窝铝芯和蜂窝铝板的有限元模型,模拟计算了薄壁蜂窝铝芯在深度、对边距不同时受共面载荷作用下的应力强度。利用壳单元计算了蜂窝铝芯的共面弹性模量,模拟分析了同样大小的蜂窝铝板在蜂窝芯格尺寸不同情况下受共面相同载荷时的应力情况,分析结果表明选择适当的蜂窝芯格大小和深度,可以减小蜂窝芯格及蜂窝铝板所受的最大应力。分析结果有助于找到合适的蜂窝芯格尺寸以满足较大的强度要求。最后对蜂窝铝板进行了实验研究计算,实验结果和ANSYS模拟数据基本吻合。     

HWIB用于高速铁路引发低频振动的隔振分析

分析了实体波阻块(EWIB)和蜂窝状波阻块(HWIB)对高速铁路引发低频振动的隔振效果.首先建立了列车-桥墩-土体计算模型,将桥墩处的实测加速度转换为作用在土体表面的动力荷载;然后计算了空沟和地下连续墙的隔振效果,并与EWIB和HWIB的隔振效果进行了对比.结果表明:对于高速铁路运行产生的低频振动,EWIB可以使地表振级降低5～10dB,HWIB可使地表振级降低6～12dB;对于10Hz以内的低频振动,HWIB有更好的隔振效果,使振动幅值降低80%以上.     

类方形蜂窝夹芯结构力学性能研究

为了证明类方形蜂窝结构与六边形蜂窝结构之间的关系,将类方形蜂窝夹芯结构分解为特有的T字形胞元,应用Euler梁原理和能量法分别推导了T字形胞元模型的等效弹性常数公式。同时,在用经典方法推导的六边形蜂窝夹芯的等效弹性常数公式中,代入了类方形蜂窝结构的特征参数,得到了与前述2种方法相同的结果,证明了类方形蜂窝是六边形蜂窝的演变体,指出了这2个经典蜂窝公式存在的局限性和应用范围,由类方形蜂窝的结构特征,发现经典蜂窝理论公式在特征角等于零或零附近的值是奇异和不准确的。研究结果对蜂窝结构力学性能相关理论的后续研究和完善有着重要的参考价值。     

蜂窝密封动力特性参数的CFD数值分析方法

运用商用CFD软件Fluent,采用三维建模的方法分别建立圆柱形蜂窝密封和圆锥形蜂窝密封的几何模型,针对蜂窝密封几何结构复杂、密封间隙小且径向流动参数变化剧烈的特点,采用了六面体网格划分、增加密封间隙径向网格密度和非平衡壁面函数湍流模型等方法,依次计算出两种形式的密封结构的主刚度、交叉刚度和主阻尼,并与相关的实验数据和解析计算结果相比较,得出本文数值计算方法比原有的解析计算方法有更好准确性,为今后的蜂窝密封动力特性分析和密封结构的优化设计提供一种有效的分析手段。