镁合金蜂窝板的制备及力学性能研究

采用镁合金箔材和板材削备镁合金蜂窝板，研究了其压缩和弯曲力学性能，分析了镁合金蜂窝板的损坏过程和机制。压缩过程经历了蜂窝芯与面板之间树脂肢的局部失穗阶段、蜂窝芯弹塑性屈曲变形阶段，塑性屈曲失穗阶段、破坏扩展阶段四个阶段。弯曲变形过程经历了蜂窝芯局部屈曲、面板压入弯曲、蜂窝芯与面板较大面积脱胶这三个阶段。其变形模式与破坏形式和铝合金蜂窝板相似。     

聚脲涂覆三维负泊松比点阵结构的静态力学性能研究

本文针对四面内凹金字塔型负泊松比点阵结构在有无聚脲涂覆两种情况下的静态力学性能进行了试验研究.采用增材制造方法制作了不同阵列型式的试验模型,实施了点阵模型的准静态压缩试验和点阵夹层结构的三点弯曲和四点弯曲试验.试验结果表明,点阵结构在压缩载荷作用下呈现明显的负泊松比效应.涂覆聚脲后点阵结构的力学性能有明显提升,压缩平台应力约为0.6–1.0 MPa;对于多胞结构,总吸能、单位体积变形能和比吸能显著高于未涂覆聚脲模型1–2个数量级;最大吸能效率和压缩利用率大于未涂覆聚脲模型,最高分别可达40.59%和55.15%.由于未涂覆聚脲点阵结构会发生早期材料脆断,其单位体积变形能、比吸能、最大吸能效率和压缩利用率会随单元数量的增加而减小.涂覆聚脲点阵结构的吸能特性受聚脲涂层的厚度影响较大.在弯曲载荷作用下,未涂覆聚脲点阵夹层结构易出现芯层局部压溃现象,靠近压头部位的芯层最易发生破坏,且芯层破坏程度逐层降低;上面板最终呈现折线型变形,下面板呈现弧形变形模式.涂覆聚脲点阵夹层结构的上面板早期呈现"U"型变形模式,且芯层失效范围大幅减小,下面板变形较无聚脲涂覆点阵夹层结构增大19.61%–42.03%.研究结果可为设计轻质化和高效吸能的舰艇防护结构提供借鉴.     

泡沫填充波纹夹芯梁的面内压缩破坏模式分析

为了提高波纹夹芯结构作为高铁车厢或油罐车罐体容器外壳在面内压缩载荷下的结构稳定性,提出了在波纹芯体空隙中填充聚酯泡沫的设想,理论研究了泡沫填充波纹夹芯梁的面内压缩破坏行为,同时对面内压缩破坏进行了数值有限元验证。泡沫填充波纹夹芯梁面内压缩下的主要破坏模式为宏观弹塑性屈曲、面板弹塑性起皱2种模式。结合宏观尺度上芯体的均匀化等效弹性常数,建立宏观屈曲破坏的理论模型;将泡沫等效为Winkler弹性基,建立面板起皱破坏的理论模型。对304不锈钢波纹夹芯板和Rohacell 51泡沫填充材料,构建结构的破坏模式图,有限元计算结果从破坏模式和临界载荷2个方面验证了理论预测的可靠性。在此基础上,对泡沫填充波纹夹芯结构进行质量最小优化设计,获得结构的最优化几何尺寸。综合考虑承载、能量吸收、减振、隔热等多功能特性,相较于空心波纹夹芯结构和金字塔点阵夹芯结构,泡沫填充波纹复合结构具有潜在的重要工程应用价值。     

泡沫铝夹芯梁结构的高温3点弯曲力学性能研究

实验研究了泡沫铝夹芯梁结构在不同温度下的3点弯曲力学性能.通过引入Gibson模型构建夹芯梁架构在3点弯曲作用下的失效模式图,并将失效模式图扩展到高温情况下,得到泡沫铝夹芯梁的初始失效模式图随温度的变化趋势.结果发现,其他因素不变,随着温度的升高,夹芯梁结构更容易发生面板屈服失效模式,芯层剪切模式涉及的范围被大大压缩.根据修正的Gibson模型预测的夹芯梁结构的极限载荷和实验结果所得极限载荷比较发现,芯层剪切模式分析结果和实验数据很好地吻合,说明泡沫铝夹芯梁的最终失效破坏主要是由于芯层剪切引起的.     

薄蜂窝复合材料夹芯结构侧压性能研究

对不同构型薄蜂窝复合材料夹芯结构侧向压缩响应进行了试验研究,研究参数包括芯材高度、芯材密度和面板刚度。结果表明,蜂窝芯材高度严重影响蜂窝结构失稳载荷和峰值载荷,而上下面板的刚度不对称性会严重降低失稳载荷却对峰值载荷影响不大。薄蜂窝复合材料夹芯结构的整体破坏过程与芯材密度、芯材高度均有关系,而受刚度不对称性影响不大。薄蜂窝复合材料夹芯结构在侧向压缩载荷下的主要失效模式是蜂窝芯材剪切破坏,通过高速摄像机对蜂窝局部进行观察,发现失效起始于单个蜂格的剪切破坏,导致其高度降低,继而引起上下两侧蜂格破坏,并且迅速扩展到上下约3个蜂格,导致载荷突降。若继续加载,破坏继续向两侧蜂格扩展,且载荷基本不变。     

具芳纶短纤维增韧界面的碳纤维夹芯结构性能、机理和分析

碳纤维夹芯结构常用作航空航天、交通车辆等运载工具的主承力结构,这类结构在服役过程中容易发生界面开裂,继而引发大面积脱粘、面板局部屈曲等破坏模式,严重影响结构的安全.使用芳纶短纤维对碳纤维夹芯结构的面-芯界面进行增韧,在夹芯结构制备过程中,在界面加入低密度芳纶短纤维薄膜,通过芳纶短纤维的桥联作用,提高界面的粘接性能.首先通过弯曲和压缩实验,对比了增韧和未增韧夹芯结构的荷载-位移曲线、破坏模式等响应,发现芳纶短纤维界面增韧可以大幅提高碳纤维夹芯结构的各项力学性能.其次,基于非对称双悬臂梁实验和扫描电镜观测,分析了芳纶短纤维的增韧效果和增韧机理.最后,基于均匀弹性材料裂纹的奇异性解和界面裂纹尖端的位移震荡解,建立了考虑界面裂纹尖端复杂应力场的扩展有限元单元,模拟了碳纤维夹芯试件的界面开裂过程.以上研究工作有助于揭示芳纶短纤维增韧界面的断裂机理,建立界面增韧参数设计方法,提高碳纤维夹芯结构的力学性能,并为结构的健康诊断和工艺改进提供科学依据.     

碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料的弯曲特性分析

通过三点弯曲实验研究,得到了碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料的弯曲性能以及破坏机理。并采用逐渐累积损伤方法对泡沫夹芯结构弯曲载荷进行了预测,结果发现:模拟与试验结果较吻合,弯曲载荷误差为6.31%。研究结果表明:有限元数值模拟能够准确地得到泡沫夹芯复合材料在压缩过程中的损伤扩展,并最终预测碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料的最大破坏载荷和破坏趋势。     

芯材拼接对天线罩夹芯板力学性能的影响

为考查芯材拼接对舰船复合材料天线罩夹芯板力学性能的影响,设计系列试验对比研究芯材拼接对夹芯板的极限承载能力、复杂稳定性和破坏模型的影响.结果发现:芯材拼接主要影响结构的破坏模式和破坏载荷;极限承载试验中芯材拼接易诱发分层破坏,进而导致蒙皮拉伸断裂,且使承载极限降低11.5%;复杂稳定性试验的主要破坏模式为贯穿型和局部型蒙皮压缩破坏,芯材拼接对破坏模式的影响表现为破坏位置的差异,且复杂屈曲载荷降低28.6%;工艺的复杂化使夹芯板力学性能的离散性升高.     

含面芯脱粘缺陷复合材料夹芯梁屈曲失效研究

为研究面芯脱粘缺陷对复合材料夹层结构屈曲特性的影响,对含贯穿矩形面芯脱粘缺陷的复合材料夹芯梁进行了试验和仿真研究.轴向压缩试验发现:试件破坏模式为混合屈曲失效,承载过程可划分为轴向压缩、局部屈曲、混合屈曲和坍塌失效四个阶段.在试验基础上,基于Abaqus非线性弧长算法,对复合材料夹芯梁的极限载荷及后屈曲路径进行模拟.采用三维内聚力单元模拟预制脱粘缺陷,从破坏模式和极限载荷两个方面与试验结果进行对比,误差为6.51%,验证了数值计算方法的可靠性.有限元分析发现:随芯层模量增加,极限荷载先非线性增长后线性增长;当缺陷因子为0.052时,极限荷载为完整结构的80%,为确保结构的承载特性,应在缺陷因子达到0.05前及时进行脱粘区域修补.     

空心及PMI泡沫填充铝波纹夹芯梁冲击性能实验研究

为了提高油罐车罐体在冲击载荷下的强度和耐撞性,提出了两种三明治结构:空心和PMI泡沫填充率波纹夹心结构,来代替传统的均质结构,通过泡沫块冲击实验,对两种构型的三明治夹芯梁的冲击性能进行了研究。通过高速摄影观察了夹芯梁的变形过程,得出了在不同冲击速度下同质量不同芯体结构的夹芯梁后面板所产生位移的时程曲线,考察了两种类型夹芯梁在冲击载荷下的后面板中点位移及各自的变形特点。实验结果表明:空心波纹夹芯梁在速度较高的冲击载荷作用下,前面板在冲击区域发生撕裂,波纹芯体发生较大幅度的压缩;相对于空心夹芯梁,PMI泡沫填充夹芯梁前面板的撕裂和芯体的压缩程度大幅减小,但后面板中点位移较空心夹芯梁更大。由于结构的撕裂在罐车的行进过程中容易扩展并至更严重的破坏,因而填充夹芯结构相对空心结构更具优势。