卫星夹层结构夹芯层力学性能分析与数值模拟

由于高强、质轻的特点,夹层结构材料在工程领域得到了广泛的应用.本文对卫星夹层结构所采用的蜂窝夹芯进行力学性能分析,推导出六边形蜂窝夹芯结构的等效弹性常数;并选取某型号卫星蜂窝夹芯结构,对其进行数值模拟研究.通过对比理论计算和数值模拟结果,验证了等效弹性参数公式的正确性,可作为卫星蜂窝夹芯结构的优化设计的理论依据.     

类蜂窝和六边形蜂窝夹芯等效力学参数对比与仿真

本文提出了相同等效密度这一条件下进行类蜂窝及六边形蜂窝夹芯结构等效力学参数对比分析的方法,这一方法将有利于工业中对填充材料类型的选取.基于能量法对类蜂窝夹芯结构和六边形蜂窝夹芯结构共面等效力学参数进行推导,并利用有限元法对类蜂窝夹芯结构和六边形蜂窝夹芯结构进行仿真分析,验证了理论推导公式的准确性.仿真结果显示在相同等效密度下,六边形蜂窝夹芯结构在x,y,z三方向的等效弹性模量均高于类蜂窝夹芯结构,但其等效力学性能随胞元边长变化时的稳定性低于类蜂窝夹芯结构,该对比方式为不同类型蜂窝夹芯结构的选取提供了参考.     

类蜂窝夹芯结构等效力学性能优化设计

为提高新型类蜂窝夹芯结构的等效力学性能,本文在分析夹芯胞元尺寸对其等效力学性能影响的基础上,选取胞元尺寸为设计变量、以等效力学性能参数为目标函数,建立类蜂窝夹芯结构等效力学性能优化数学模型,并采用多目标遗传算法对其进行优化设计.经优化设计分析发现:当夹芯胞元厚度t与六边形短边长l比值为0.0134、正方形边长h与l比值...     

热塑性复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击失效行为

夹芯结构具有优良的力学性能和多功能性,是一类良好的冲击防护材料。以编织玻璃纤维增强聚丙烯复合材料蜂窝夹芯板为研究对象,采用JSL-3000落锤式示波冲击试验机研究了其结构在低速冲击下的抗冲击特性。试验采用固支的边界条件,通过控制落锤下落高度实现不同冲击能量对结构低速冲击响应的影响;并在相同的冲击能量下,研究了蜂窝夹芯结构芯层高度和芯层层数对结构抗冲击性能的影响。利用ABAQUS有限元软件建立了蜂窝夹芯板的低速冲击模型与试验结果进行对比,通过对获得的载荷时间曲线和结构失效模式的分析,发现结构的损伤以上面板的凹陷和芯层的压溃为主,在面板未发生穿透的情况下结构会发生大幅度回弹。     

组合型类蜂窝夹芯结构设计及面内力学性能研究

为提高蜂窝夹芯结构共面方向的承载性能,从仿生序构角度,提出一种组合型类蜂窝夹芯结构,并对其面内力学性能进行研究。首先,从深海鱼的骨骼结构中仿生设计出一种功能基元,并将该基元4个一组在空间组合成一个基本单元,再将此单元在水平和垂直方向上阵列得到一种四边形里嵌套八边形的组合型类蜂窝夹芯结构;然后,根据胞元理论将该结构进行简化,采用经典梁弯曲理论与胡克定律推导出其面内等效力学参数公式;采用压缩实验和数值模拟进行力学参数的对比验证,得到该结构面内等效弹性模量的实验值、仿真值与理论值之间的误差分别为13.68%和10.60%,验证了组合型类蜂窝夹芯结构面内等效力学参数的准确性。在相同等效密度下,将所设计的组合型类蜂窝夹芯结构和该课题组以前提出的“超轻多孔”类蜂窝夹芯结构进行等效力学性能对比实验,结果表明：所设计的组合型类蜂窝夹芯结构的面内等效弹性模量是类蜂窝夹芯结构的20倍左右,其刚度有显著提升,该研究成果为新型蜂窝结构创新设计提供了思路。     

蜂窝夹芯结构吸波性能的有限元计算分析

针对周期性蜂窝夹芯结构型吸波材料的非均匀性,提出采用频域有限元数值仿真和散射参数反演法计算不同构型蜂窝夹芯材料的雷达散射截面（RCS）和反射系数,并探讨了周期性蜂窝夹芯结构中胞元的尺寸效应对结构型吸波材料隐身性能的影响．计算结果表明：对于具有相同体分比的不同构型蜂窝夹芯结构型吸波材料,当胞元尺寸大于工作波长时,夹芯材料的不均匀性导致RCS值变化幅度较大;随着尺寸的缩减,RCS值逐渐减小且变化趋于平缓．但在不同入射方向具有明显的散射特性,而且不同构型蜂窝夹芯结构的反射系数也表现出明显的尺寸效应．研究结果为周期蜂窝夹芯结构型吸波材料的多功能设计提供了计算依据．     

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.     

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.     

NOMEX蜂窝芯等效弹性模量的非线性分析

提出了NOMEX蜂窝芯材料基于磁场和摩擦吸附原理的固持方法. 固持过程中，为了提高铁粉的填充效率，采用了固定有限区域的方法，而非填充区域蜂窝芯受到铣削力的作用，蜂窝面发生变形，产生过切. 为了控制蜂窝变形不超过工程允许误差，需要对蜂窝芯力学性能进行分析. 将蜂窝芯零件高速铣削过程中的变形归属于薄板大挠度变形问题，得出了具有非线性响应的蜂窝芯材料等效面内弹性模量，克服了线性分析导致的误差. 针对方向舵蜂窝芯的实际加工结果表明，利用具有非线性响应特征的等效面内弹性模量进行铁粉填充优化，可以减少70％的铁粉填充面积，同时，加工精度达到了±0.1mm.     

内嵌聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的碳纤维增强复合材料蜂窝夹层结构水中抗爆试验研究

为了分析新型内嵌聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide, PMI)泡沫的碳纤维增强复合材料蜂窝夹层结构的水中抗爆性能，开展了水中爆炸作用下结构抗爆性能试验研究，对比了均质钢板、纯蜂窝夹芯夹层结构以及内嵌两种不同密度PMI泡沫蜂窝夹芯夹层结构的水中抗爆性能，分析了结构变形与破坏模式、结构表面压力特性以及结构后面板变形情况。结果表明，内嵌泡沫能够有效提升夹层结构的水中抗爆性能。研究结果可以为水中抗爆防护结构的轻量化设计及优化提供参考。     

闭孔泡沫铝压缩力学性能的实验和三维有限元模拟

基于X射线电子计算机断层扫描技术,建立了反映闭孔泡沫铝真实结构的三维有限元模型.对闭孔泡沫铝准静态和动态压缩力学性能进行了实验和数值模拟,分析了闭孔泡沫铝的变形特性及力学性能,验证了模型的可靠性.结果表明,准静态压缩下,试件主要沿加载轴45°方向产生塑性变形.压缩速率为低速时,其变形模式与准静态相同.闭孔泡沫铝试件截面上结构薄弱处首先出现应力集中,材料达到塑性屈服.在高速压缩下,试件加载端首先达到塑性屈服.比较闭孔泡沫铝不同应变率下的屈服强度,动态压缩下的屈服强度远高于准静态压缩下的.应变率280~700 s-1下,其屈服强度变化不明显,应变率继续升高至2 000 s-1,屈服强度略微提高.      

玻璃纤维填充聚氨酯泡沫的形态与力学性能

通过扫描电子显微镜对玻璃纤维(GF)填充硬质聚氨酯泡沫塑料(RPUF)泡孔结构和填料分散情况进行了分析,研究了GF对RPUF的微观结构形态、泡孔平均直径的影响;同时研究了GF对RPUF的压缩力学性能的影响和破坏过程,并分析其压缩破坏的机理.     

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。     

不同侧限及荷载比例工况下泡沫金属冲击性能研究

泡沫金属在实际工程中往往承受复杂多轴加载工况,且受到突发性爆破等极端动荷载的影响,处于多轴动态复杂应力状态。目前,受实验条件限制,泡沫金属难以实现任意比例的真三轴动态实验。本文采用数值模拟方法,采用霍普金森杆和解析刚体,分别施加冲击荷载和侧限荷载,实现了泡沫金属真三轴动态实验,且实验过程中满足应力均匀性条件,同时,探究了不同侧限条件和侧向预压力比例对泡沫金属多轴冲击性能的影响。结果表明:沿着冲击方向施加2 MPa的预压力对应力幅值为200 MPa的梯形应力波双向冲击的泡沫金属冲击性能无明显影响;侧限约束的增强能提高泡沫金属抗冲击承载能力;当冲击变形模式主导胞孔结构变形时,泡沫金属三向预压力比例对其抗冲击能力无明显影响。     

Al-Si闭孔泡沫铝材料的压缩行为

对熔体转移发泡法制备的不同密度Al-Si闭孔泡沫铝材料进行了准静态压缩实验,研究了Al-Si闭孔泡沫铝材料的准静态压缩力学行为及变形机制,并从微观上分析了相对密度对Al-Si闭孔泡沫铝材料的力学性能影响.结果表明,Al-Si闭孔泡沫铝材料的压缩过程具有明显的脆性材料压缩变形特征,即经历三个阶段线弹性阶段、脆性崩溃阶段、致密化阶段.相对密度对Al-Si闭孔泡沫铝材料的力学性能影响显著,随着相对密度的增加,压缩强度和弹性模量逐渐增大,且理论结果与试验结果比较吻合.     

轧制制度对闭孔泡沫铝材料塑性的影响

研究了采用熔体发泡法制备的闭孔泡沫铝材料的轧制过程,分析了不同道次压下量条件下泡沫铝的变形特点与破坏方式,探讨了影响泡沫铝轧制能力的主要因素.结果表明:闭孔泡沫铝的轧制应遵循多道次、小变形的原则.道次压下量为0.1 mm时,Si质量分数为12%的泡沫铝(厚度约11 mm)经10道次变形后可实现1 mm的总变形量.道次压下量过大时泡沫铝的破坏方式为典型的脆性断裂,适宜的压下量则有利于发挥泡沫铝良好的吸能性,但小变形时易出现弯曲而使材料最终发生剪切破坏.提高泡沫铝轧制能力的具体方法为降低基体中的Si含量,提高材料组织性能的均一性,轧制工艺中采用适宜的道次压下量和较低的轧制速度.     

自激振荡脉冲消泡机制分析与性能优化

经济、环保、高效的消泡技术是泡沫钻井液循环利用的基础,基于该认识,提出自激振荡脉冲消泡技术。将数值模拟和试验研究相结合,分析自激振荡脉冲消泡的机制,探索消泡器性能的优化方法。采用正交试验法,优选自激振荡脉冲消泡器的结构参数。结果表明:自激振荡腔内能够形成显著的涡量扰动,激发局部负压和强烈湍流协同作用,致使泡沫破裂;自激振荡脉冲腔室内最大负压的绝对值和最大湍流强度均与消泡效率呈显著的指数相关,证实了自激振荡脉冲消泡机制;数值计算与试验结果吻合良好,提出的消泡技术可行。     

泡沫铝夹心板静态三点弯曲变形行为及力学性能

采用焊接方法制备了泡沫铝夹心板,通过对制备出的泡沫铝夹心板进行三点弯曲实验,测量其整体的抗弯特性.应用数字图像相关方法计算了弯曲过程中试样表面的全场变形响应,结合对载荷-位移曲线的分析,讨论了2种不同孔结构夹心板的变形行为.结果表明:由于夹心材料结构上的不同,导致其破坏方式的不同;以闭孔泡沫铝为夹心的夹心板弯曲吸能比夹心为开孔泡沫铝的多,而开孔泡沫铝夹心板的弯曲刚度则更高些,这对泡沫铝夹心板的设计及工程应用具有实际指导意义.     

基于3D Voronoi模型形状不规则度组合梯度泡沫金属的动态冲击力学性能研究

泡沫金属的力学性能与其细观结构参数密切相关.四个形状不规则度参数梯度组合的3 D Voronoi结构模型被用于开展动态冲击数值仿真实验,探究不同冲击速度下形状不规则度梯度组合类型对泡沫金属的变形特性、荷载-位移和能量吸收特性的影响.结果表明,冲击速率仅在临界速度范围内时对形状不规则度梯度组合模型的力学性能有明显影响,沿...