發(fā)布時(shí)間：2020-08-13 14:26

【摘要】：輕質(zhì)蜂窩及其夾芯結(jié)構(gòu)以其高比強(qiáng)度、高比剛度以及優(yōu)異的性能可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸以及個(gè)人防護(hù)等各種國(guó)防以及民用工業(yè)領(lǐng)域。服役過(guò)程中,蜂窩及其夾芯結(jié)構(gòu)會(huì)面臨各種各樣的沖擊問(wèn)題。本文針對(duì)蜂窩材料壓剪組合下的力學(xué)行為、自相似及非自相似的層級(jí)蜂窩力學(xué)特性和蜂窩夾芯面板的低速落錘沖擊等問(wèn)題,分別采用試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬等方法開(kāi)展研究,以揭示沖擊載荷作用下蜂窩及其夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)特性與宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之間的關(guān)系,以及結(jié)構(gòu)壓縮變形和能量吸收耗散機(jī)理。針對(duì)傳統(tǒng)六邊形蜂窩,設(shè)計(jì)搭建了一套可實(shí)現(xiàn)壓剪載荷單獨(dú)測(cè)量的測(cè)試系統(tǒng),克服了壓剪載荷解耦的難題,并開(kāi)展了多工況蜂窩壓剪組合試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn),壓剪組合作用下蜂窩材料出現(xiàn)兩種變形失效模式,分別表現(xiàn)為面外法向軸線旋轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)。變形模式對(duì)沖擊響應(yīng)影響顯著,軸線旋轉(zhuǎn)變形模式下會(huì)出現(xiàn)負(fù)的剪切力。加載角度和加載平面對(duì)變形模式、沖擊響應(yīng)以及平臺(tái)應(yīng)力等影響各不相同。可以采用橢圓形包絡(luò)線對(duì)蜂窩材料的初始屈服強(qiáng)度進(jìn)行有效擬合估計(jì)。針對(duì)層級(jí)圓管結(jié)構(gòu),通過(guò)全部或部分的層級(jí)設(shè)計(jì),生成了一種完全替代層級(jí)圓管和一種部分替代層級(jí)圓管。分別開(kāi)展了兩種結(jié)構(gòu)壓縮行為及吸能特性研究,建立了層級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù),包括微元尺寸和數(shù)量,與結(jié)構(gòu)變形模式、平臺(tái)壓縮力以及能量吸收之間的關(guān)系。研究表明,通過(guò)合適的層級(jí)設(shè)計(jì)可以大大提升薄壁圓管結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能以及吸能特性。針對(duì)基于頂點(diǎn)替代的自相似層級(jí)蜂窩,采用超級(jí)折疊單元法建立了面外平臺(tái)壓縮力解析模型,重點(diǎn)討論了層級(jí)階次對(duì)平臺(tái)壓縮力的影響。研究表明,自相似層級(jí)設(shè)計(jì)可以顯著提升蜂窩的面外抗沖擊性能;階次足夠大時(shí),對(duì)于次級(jí)微元尺寸以1/2規(guī)律遞減的自相似層級(jí)蜂窩,相鄰階次的平臺(tái)壓縮力放大系數(shù)為一常數(shù)?_n?1.26。針對(duì)基于頂點(diǎn)替代、正三角形微元的非自相似層級(jí)蜂窩,分別提出了面內(nèi)和面外沖擊特性的數(shù)值分析方法。研究發(fā)現(xiàn),層級(jí)參數(shù)會(huì)顯著影響蜂窩面內(nèi)變形模式,對(duì)面外變形模式影響則不大;非自相似層級(jí)設(shè)計(jì)不一定會(huì)提升蜂窩的抗沖擊性能以及吸能特性,只有特定尺寸的層級(jí)微元才有利于沖擊性能的提升;非自相似層級(jí)設(shè)計(jì)對(duì)面內(nèi)抗沖擊性能的提升大于面外方向。針對(duì)蜂窩夾芯面板低速落錘沖擊問(wèn)題,分別開(kāi)展了試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析,并重點(diǎn)討論了沖擊能量對(duì)面板塑性凹坑變形以及吸能特性的影響。建立了相應(yīng)的落錘沖擊理論模型并改進(jìn)發(fā)展了能量平衡理論模型,揭示了低速落錘沖擊下蜂窩夾芯面板變形模式、凹坑形成以及能量吸收與耗散機(jī)理。研究表明,蜂窩夾芯板具有優(yōu)異的吸能特性,絕大部分的沖擊能量會(huì)在沖擊過(guò)程中被上面板和芯層以塑性耗散能的形式吸收耗散;通過(guò)調(diào)整沖擊速度或沖錘質(zhì)量獲取的不同沖擊能量對(duì)凹坑和吸能特性的影響不盡相同;提出了不同沖擊能量下,面板凹坑深度以及能量吸收的半經(jīng)驗(yàn)公式。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB33
【圖文】：

研究背景隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的密度、強(qiáng)度、模量及其綜合性能要求高強(qiáng)度、高比模、耐高溫以及優(yōu)異的性能可設(shè)計(jì)性等優(yōu)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并在各種工業(yè)領(lǐng)域，尤其是航空航天材料類型多種多樣，按照其結(jié)構(gòu)形式大致可以分為纖維材料[3]、顆粒復(fù)合材料[4]以及混雜復(fù)合材料[5]等。以蜂窩及其夾芯結(jié)構(gòu)為典型代表的輕質(zhì)多孔材料和輕質(zhì)高和優(yōu)異的抗沖擊性能等特點(diǎn)在航空航天領(lǐng)域得到了廣蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)承受面外載荷時(shí)，能夠在保證彎曲剛度與大的前提下，減重達(dá)到 70~90%，非常符合飛機(jī)對(duì)輕量作為緩沖吸能材料廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、包裝及個(gè)人防

第一章 緒論19]等，此類周期性多孔結(jié)構(gòu)可以統(tǒng)稱為蜂窩材料。蜂窩材料相抗擊沖擊載荷方面表現(xiàn)優(yōu)異，主要是因?yàn)榉涓C材料在承受準(zhǔn)載荷時(shí)，表現(xiàn)出以下特點(diǎn)[11]：1，不可逆的能量轉(zhuǎn)換；2，受限長(zhǎng)的沖擊行程；4，穩(wěn)定的和可重復(fù)的變形模式；5，質(zhì)量輕、比安裝。

東南大學(xué)博士學(xué)位論文如維修時(shí)工具的跌落、跑道石子的沖擊和冰雹沖擊等；高速、高能量的沖擊，比如鳥(niǎo)、炮彈沖擊等等。沖擊載荷作用下，蜂窩材料的變形模式比較復(fù)雜，可能會(huì)發(fā)生彈性曲以及塑性屈曲等，不同結(jié)構(gòu)形式的蜂窩材料及其夾芯結(jié)構(gòu)變形和失效模式也不盡相。而且隨著沖擊載荷形式和沖擊速率的改變，蜂窩材料也可能表現(xiàn)出不同的壓縮性能吸能特性。因此如何評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊載荷的承載能力、沖擊載荷作用下蜂窩及其夾芯構(gòu)的力學(xué)行為，成為近年來(lái)工程領(lǐng)域中十分關(guān)注的課題。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號(hào)：2792120