【摘要】：輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)材料作為一種典型生物結(jié)構(gòu)材料普遍存在于自然界中,如樹木、巖石、骨頭及珊瑚等,多孔的構(gòu)造減輕了結(jié)構(gòu)的重量,同時又發(fā)揮著不可替代的承載和多功能特性。眾所周知,多孔結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及多功能特性與微觀孔的幾何尺寸和孔隙率息息相關(guān)。因此,與傳統(tǒng)材料相比,多孔材料可通過改造其微觀結(jié)構(gòu)來控制結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和多功能特性指標(biāo),結(jié)構(gòu)可設(shè)計性更強(qiáng)。本文設(shè)計出兩種新型多孔結(jié)構(gòu):波紋板-金字塔點陣夾芯結(jié)構(gòu)和周期性桁架結(jié)構(gòu)。第一章簡單介紹了課題研究背景及目的意義,對多級結(jié)構(gòu)和周期性桁架結(jié)構(gòu)這兩類多孔材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述,發(fā)現(xiàn)與二維多孔材料相比,如蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)等,三維多孔材料的制備工藝更加復(fù)雜繁瑣,束縛三維多孔材料的研究進(jìn)展。因此,本文提出了一套簡單可行且成本低廉的制備工藝,設(shè)計并制備出兩種多孔材料:波紋板-金字塔點陣夾芯結(jié)構(gòu)和周期性桁架結(jié)構(gòu),并對其壓縮性能進(jìn)行了研究。第二章在金字塔點陣夾芯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上,設(shè)計出波紋板-金字塔二級點陣夾芯結(jié)構(gòu)。首先,基于位移協(xié)調(diào)條件和力的平衡方程,推導(dǎo)出波紋板-金字塔點陣夾芯結(jié)構(gòu)的等效平壓剛度和等效平壓強(qiáng)度。其次,采用有限元軟件Ansys對金字塔和波紋板-金字塔點陣夾芯結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模,并對等相對密度的兩種點陣夾芯結(jié)構(gòu)的屈曲臨界載荷進(jìn)行了數(shù)值模擬。在平壓載荷作用下,當(dāng)芯桿在12面內(nèi)彎曲時,二級點陣結(jié)構(gòu)抗屈曲能力才優(yōu)于一級結(jié)構(gòu);當(dāng)芯桿在13面內(nèi)彎曲時,一級點陣結(jié)構(gòu)抗屈曲能力較強(qiáng)。第三章采用3D打印技術(shù)成功制備出聚合物(PVC)金字塔和波紋板-金字塔點陣夾芯結(jié)構(gòu),并對兩種點陣夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平壓試驗。研究結(jié)果表明,在等相對密度條件下點陣結(jié)構(gòu)芯桿在13面內(nèi)彎曲時,無論是等效剛度還是等效強(qiáng)度,一級點陣夾芯結(jié)構(gòu)都優(yōu)于二級結(jié)構(gòu),一定程度上驗證了等效平壓理論。第四章首先對周期性桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計,其次,基于位移協(xié)調(diào)條件和力的平衡方程,推導(dǎo)出周期性桁架結(jié)構(gòu)的等效平壓剛度和等效平壓強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)在面外平壓載荷作用下周期性桁架結(jié)構(gòu)主要存在4種失效模式:單胞中豎桿屈曲、豎桿壓潰、斜桿屈曲和斜桿壓潰。然后,采用三維建模軟件Solidworks對相對密度為9.52%的周期性桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,并導(dǎo)入有限元軟件Abaqus進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果與理論值相差15%。第五章采用線切割-嵌鎖組裝及雕刻-嵌鎖組裝方法分別制備出相對密度為7.77%的304不銹鋼周期性桁架結(jié)構(gòu)和相對密度為10.63%的復(fù)合材料周期性桁架結(jié)構(gòu),并對其進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)平壓試驗,得到結(jié)構(gòu)變形形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)嵌片嵌槽口的鏈接強(qiáng)度決定著結(jié)構(gòu)的失效模式。當(dāng)焊接強(qiáng)度較高時,嵌縫處不開裂,鄰近約束端結(jié)構(gòu)形成壓縮帶,結(jié)構(gòu)逐層壓潰,壓縮帶向下移動致整個結(jié)構(gòu)致密化;當(dāng)焊接強(qiáng)度較低時,結(jié)構(gòu)最外側(cè)最先發(fā)生嵌片屈曲,鄰近約束端結(jié)構(gòu)形成壓縮帶,結(jié)構(gòu)逐層壓潰,壓縮帶向下移動致整個結(jié)構(gòu)致密化。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.4

【參考文獻(xiàn)】

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1 吳林志;熊健;馬力;王兵;張國旗;楊金水;;新型復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J];力學(xué)進(jìn)展;2012年01期

2 楊亞政;楊嘉陵;曾濤;方岱寧;;輕質(zhì)多孔材料研究進(jìn)展[J];力學(xué)季刊;2007年04期

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本文編號：2365158