【摘要】：熱膨脹系數(shù)(CTE)是量化材料熱行為的重要物理參數(shù),用于表征由于環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致材料/結(jié)構(gòu)體積與形狀的變化。為避免在溫度劇烈變化下服役的高精密結(jié)構(gòu)喪失原有的設(shè)計(jì)精度,迫切需要發(fā)展零/低膨脹材料;為避免非協(xié)調(diào)熱膨脹的多材料構(gòu)件相互分離而破壞結(jié)構(gòu)的完整性從而導(dǎo)致功能失效,需要發(fā)展特定膨脹系數(shù)的材料;為實(shí)現(xiàn)熱作動(dòng)器等結(jié)構(gòu)在溫度變化時(shí)產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)力,則需要發(fā)展大膨脹系數(shù)的材料。另外,為滿足結(jié)構(gòu)的承載需求,要求材料具有一定的剛度。因此,研究在高剛度的條件下具有特定熱膨脹性能的材料是非常必要的。通過調(diào)整材料的組分、分布以及微結(jié)構(gòu)形式能夠?qū)崿F(xiàn)特定熱膨脹和高剛度的點(diǎn)陣復(fù)合材料的設(shè)計(jì);增材制造為該類復(fù)合材料的精準(zhǔn)制備提供了強(qiáng)有力的支撐。因此,如何設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)形式,使材料或結(jié)構(gòu)能夠在具有特定熱膨脹系數(shù)的同時(shí)保持良好的力學(xué)性能,成為該方向研究的核心問題。基于這種需求,本文提出了兩種可實(shí)現(xiàn)任意熱膨脹系數(shù)的點(diǎn)陣復(fù)合材料和一種面內(nèi)零膨脹的三明治點(diǎn)陣板結(jié)構(gòu)。具體的研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)可實(shí)現(xiàn)任意熱膨脹系數(shù)的點(diǎn)陣復(fù)合材料設(shè)計(jì)。由雙層異種材料梁單元構(gòu)成的三角形點(diǎn)陣復(fù)合材料(Lehman-Lakes)具有高剛度和良好的熱膨脹可設(shè)計(jì)性。然而,該類材料實(shí)現(xiàn)熱膨脹的可設(shè)計(jì)性要求角點(diǎn)必須為鉸接,此要求為制備帶來了困難,特別是在微尺度條件下。本章提出了具有高剛度和任意熱膨脹系數(shù)的角點(diǎn)固接點(diǎn)陣復(fù)合材料(JTC LM),能夠方便地通過增材制造進(jìn)行制備,通過參數(shù)設(shè)計(jì)能夠使點(diǎn)陣復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)特定熱膨脹性能和高剛度。推導(dǎo)了JTCLM單胞的等效熱膨脹系數(shù)和等效彈性模量的理論計(jì)算公式,并通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了其有效性。以Invar和Steel組成的點(diǎn)陣復(fù)合材料為例,JTCLM單胞相比于Lehman-Lakes單胞,當(dāng)實(shí)現(xiàn)零膨脹特性時(shí),在減重17%的基礎(chǔ)上,剛度提升34.2%;在保持剛度不變(略有降低)的情況下,可實(shí)現(xiàn)大膨脹系數(shù)的點(diǎn)陣復(fù)合材料設(shè)計(jì)。(2)考慮熱膨脹行為與剛度提升的手性點(diǎn)陣復(fù)合材料設(shè)計(jì)。為提升JTCLM單胞的剛度特性,本章提出了一種基于雙材料梁單元反對稱變形的三角形手性點(diǎn)陣復(fù)合材料新構(gòu)型,相比于最優(yōu)的Lehman-Lakes單胞,當(dāng)實(shí)現(xiàn)零膨脹特性時(shí),剛度提升2.9倍,減重3%;當(dāng)實(shí)現(xiàn)大膨脹系數(shù)時(shí),剛度提升1.2倍,減重5%;與JTCLM單胞相比,當(dāng)實(shí)現(xiàn)零膨脹特性時(shí),剛度提升2.2倍。另外,給出了熱力耦合分析的解析模型,通過詳細(xì)的數(shù)值分析方法,驗(yàn)證了分析模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性,揭示了實(shí)現(xiàn)剛度提升的機(jī)制。(3)面內(nèi)零膨脹三明治夾層面板的單胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)�；诘诙绿岢龅哪軌�?qū)崿F(xiàn)零膨脹的機(jī)理,提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)面內(nèi)零膨脹的三明治夾芯面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),有望用于熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的外部,承受氣動(dòng)載荷。推導(dǎo)了三明治夾層面板面內(nèi)單向零膨脹的理論計(jì)算公式,討論了單胞的微結(jié)構(gòu)參數(shù)對等效熱膨脹系數(shù)的影響,揭示了其影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,將單向零膨脹結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理擴(kuò)展到雙向零膨脹結(jié)構(gòu),通過微結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析,發(fā)現(xiàn)了能夠?qū)崿F(xiàn)面內(nèi)零膨脹的微結(jié)構(gòu)參數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB33

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2604914