復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料格柵夾芯結(jié)構(gòu)同屬于仿生結(jié)構(gòu),在航空航天、運(yùn)載及土木等多個(gè)工程領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。目前各種工程結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境日趨極端化,結(jié)構(gòu)功能多樣化需求也日益提升,這些都對(duì)結(jié)構(gòu)性能和可靠性提出了更高的要求。為此,本論文首先以樹葉組織的葉脈-夾層結(jié)構(gòu)為原型,提出格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)這一新構(gòu)型。并基于均勻化理論,分析格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的剛度和比剛度等參數(shù),對(duì)格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。針對(duì)該結(jié)構(gòu)制備過程中的多界面粘接問題,本論文首先采用Kevlar短纖維進(jìn)行多界面增韌并對(duì)其增韌效果及機(jī)理進(jìn)行研究；其次通過三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和面內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)對(duì)該結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量和表征；最后對(duì)該結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲和面內(nèi)壓縮載荷下的力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值分析,在實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化討論分析。該項(xiàng)研究?jī)?nèi)容是工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題“具有格柵加筋鋁蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)界面破壞和增韌機(jī)理”(S13205,2013-2015年)和國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“金屬泡沫夾芯復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理和增韌研究”(11102032,2012年-2014年)的重要研究?jī)?nèi)容之一。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：1.格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的多界面增韌方法研究格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)可以在保留蜂窩隔音、隔熱和抗震等功能的同時(shí),有效地提升結(jié)構(gòu)的彎曲性能和壓縮性能。但由于原本的面-芯單一界面問題轉(zhuǎn)化為面-芯-芯多界面問題,加劇了整個(gè)結(jié)構(gòu)的界面問題的復(fù)雜性。為了保證格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì),必須提高其界面性能,確保界面不會(huì)失效。作者首先在宏觀尺度下驗(yàn)證了Kevlar短纖維界面增韌法對(duì)碳纖維鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的增韌效果；之后將Kevlar短纖維增韌方法由碳纖維鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的碳纖維-鋁蜂窩單一界面推廣到格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的碳纖維面板-鋁蜂窩界面、碳纖維面板-鋁格柵界面和鋁格柵-鋁蜂窩界面,進(jìn)行多界面增韌。同時(shí),采用掃描電鏡和光鏡等觀察手段,對(duì)界面進(jìn)行微觀觀測(cè),發(fā)現(xiàn)短纖維界面增韌可形成纖維橋聯(lián)結(jié)構(gòu),并在連接區(qū)域形成“圓角”增強(qiáng)結(jié)構(gòu),揭示了Kevlar短纖維的界面增韌機(jī)理。2.格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究為研究格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,作者對(duì)格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和格柵夾芯結(jié)構(gòu)開展了三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和面內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)研究,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,比較了三類結(jié)構(gòu)的極限載荷、結(jié)構(gòu)破壞模式、臨界破壞載荷、能量吸收性能、比剛度等力學(xué)參數(shù)。三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)顯示,格柵增強(qiáng)鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的平均極限載荷、平均能量吸收性能和比剛度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)或鋁格柵夾芯結(jié)構(gòu)。面內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)顯示,相比于傳統(tǒng)鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu),格柵增強(qiáng)鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在面內(nèi)壓縮載荷作用下,平均極限載荷和比剛度大幅升高,但平均能量吸收性能提高幅度不明顯；相比于格柵夾芯結(jié)構(gòu),格柵增強(qiáng)鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)平均極限載荷、平均能量吸收性能和比剛度均得到大幅升高。3.格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析研究格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)既具有優(yōu)良的力學(xué)性能,同時(shí)也可滿足多功能要求,因此是一種很有應(yīng)用前景的新型夾芯結(jié)構(gòu)。為更好的指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分析各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響,作者建立了格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該數(shù)值分析模型的有效性和準(zhǔn)確性。之后,采用此模型,對(duì)格柵增強(qiáng)鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化討論。結(jié)果顯示,對(duì)于格柵增強(qiáng)鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu),改變芯體高度對(duì)整體結(jié)構(gòu)載荷響應(yīng)值的影響最為明顯,改變面板厚度次之,而改變蜂窩單胞壁厚的影響最小。4.格柵在其他結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)效應(yīng)研究為進(jìn)一步研究和揭示格柵芯體對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的增強(qiáng)作用,使用格柵分別對(duì)典型復(fù)合材料圓錐殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)�？紤]格柵的非均勻分布效應(yīng),提出非線性剛度模型,對(duì)復(fù)合材料格柵圓錐殼體的穩(wěn)定性解析算法進(jìn)行修正。結(jié)果顯示格柵能夠明顯提高圓錐殼體結(jié)構(gòu)的臨界失穩(wěn)載荷,且當(dāng)環(huán)境溫度在-50～150℃區(qū)間時(shí),具有格柵增強(qiáng)的復(fù)合材料圓錐殼體的失穩(wěn)載荷具有很好的溫度魯棒性。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TB391
【文章目錄】：
摘要
1 緒論
    1.1 研究背景與意義
    1.2 夾芯結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展
    1.3 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)制備方法的研究進(jìn)展
    1.4 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)性能分析及表征的研究進(jìn)展
    1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容
2 基于生物啟發(fā)的格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    2.1 前言
    2.2 格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)
    2.3 格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的效率分析
    2.4 格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的失效分析
    2.5 小節(jié)
3 格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的多界面增頓方法
    3.1 前言
    3.2 碳纖維錫蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的短纖維增朝方法
    3.3 具有短纖維增朝的碳纖維錯(cuò)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究
    3.4 格柵增強(qiáng)錯(cuò)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的多界面增韌
    3.5 小結(jié)
4格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究
    4.1 前言
    4.2 試件尺寸和設(shè)計(jì)
    4.3 實(shí)驗(yàn)裝置和方法
    4.4 位移-載荷曲線與破壞模式
    4.5 不同芯體的夾芯結(jié)構(gòu)彎曲性能的對(duì)比
    4.6 小結(jié)
5 格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的面內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)研究
    5.1 前言
    5.2 試件尺寸和設(shè)計(jì)
    5.3 實(shí)驗(yàn)裝置和方法
    5.4 位移-載荷曲線與破壞模式
    5.5 不同芯體的夾芯結(jié)構(gòu)面內(nèi)壓縮性能對(duì)比
    5.6 小結(jié)
6 格柵增強(qiáng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析
    6.1 前言
    6.2 基本建模流程及材料參數(shù)
    6.3 彎曲性能數(shù)值分析與參數(shù)討論
    6.4 壓縮性能數(shù)值分析與參數(shù)討論
    6.5 格柵對(duì)其他結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)作用
    6.6 小結(jié)
7 結(jié)論與展望
    7.1 結(jié)論
    7.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 展望
參考文獻(xiàn)
攻讀溥士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果
致謝
作者簡(jiǎn)介


本文編號(hào)：2877643