蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料質(zhì)量較輕且具有較高的比強(qiáng)度和比剛度值,近些年來在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的使用。本文從蜂窩芯的等效參數(shù)以及蜂窩等效模型等方面對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究成果進(jìn)行歸納和總結(jié),分別從理論公式推導(dǎo)、均勻化法及有限元法等方面對(duì)蜂窩芯層等效參數(shù)的研究進(jìn)行分類論述,并基于三明治夾芯板理論、蜂窩板理論以及等效板理論和其他等效方法對(duì)等效模型進(jìn)行對(duì)比研究,最后對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等效模型的研究方向提出一些建議。 

【文章來源】：復(fù)合材料科學(xué)與工程. 2020,(10)北大核心

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【部分圖文】：

圖1 兩種蜂窩夾層分析方法的比較

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在實(shí)際的加工過程中,難免會(huì)存在蜂窩芯形狀的不均勻性,對(duì)于這種無法避免的情況,如何得到非均勻蜂窩芯的等效參數(shù)是一個(gè)非常重要的問題。Chen等[25,26]用理論方法和有限元方法研究了非對(duì)稱六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的等效彈性模量,根據(jù)單元間的相對(duì)變形,確定了平行于蜂窩胞壁方向的等效彈性模量,并依此推導(dǎo)出其余的彈性模量,介紹了用坐標(biāo)變換計(jì)算其他彈性模量的方法。Mukhopadhyay等[27]提出了一種計(jì)算蜂窩角度隨機(jī)變化的不規(guī)則蜂窩的等效彈性常數(shù)的新方法,并與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,該方法可以更有效地獲得不規(guī)則蜂窩的等效彈性特性,所建立的公式也可用于預(yù)測(cè)材料性能和胞壁厚度具有空間變化的不規(guī)則蜂窩的等效面內(nèi)彈性模量。Wang等[28]對(duì)具有復(fù)合細(xì)胞壁的蜂窩結(jié)構(gòu)(如圖2所示)進(jìn)行了研究,推導(dǎo)了一般情況下n層復(fù)合細(xì)胞壁的彈性常數(shù)求解方法并進(jìn)行有限元分析和驗(yàn)證,還研究了胞壁厚度和彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)整體力學(xué)響應(yīng)的影響。部分研究者也對(duì)胞元為圓形的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。梁森等[29]建立了胞元為圓形的蜂窩芯層面內(nèi)等效參數(shù)的分析模型,推導(dǎo)出蜂窩夾芯面內(nèi)等效剛度和泊松比隨蜂窩芯幾何參數(shù)變化的關(guān)系,并給出了等效參數(shù)的計(jì)算公式。Cernescu等[30]建立了圓柱蜂窩芯的等效剛度特性的解析方程,基于能量法推導(dǎo)了蜂窩芯的平面內(nèi)外壓縮和剪切載荷的剛度特性和有效彈性模量,將所獲得的力學(xué)性能用于評(píng)估三點(diǎn)彎曲夾層梁的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài),結(jié)果表明,所建立的解析方程能較好地預(yù)測(cè)剛度系數(shù)和有效彈性模量。

在等效板理論、蜂窩板理論和三明治夾芯板理論這些等效方法的基礎(chǔ)上,越來越多的學(xué)者對(duì)其他等效方法進(jìn)行了研究。Wu等[42]將蜂窩夾層板建模為具有適當(dāng)約束的分層結(jié)構(gòu),這些約束保證了應(yīng)力從面板到夾芯的平穩(wěn)傳遞。應(yīng)用所建立的有限元模型對(duì)客車車身用FRP夾芯板的破壞行為進(jìn)行了數(shù)值模擬。仿真結(jié)果表明,提出的層狀模型不僅能夠預(yù)測(cè)FRP夾層結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)行為,而且能夠分析局部失效問題,如失效起始點(diǎn)的位置、失效模式等,該模型對(duì)分析FRP夾層結(jié)構(gòu)的破壞問題具有較高的計(jì)算效率。Tanimoto等[43]在假定正交各向異性殼和兩種梁?jiǎn)卧謩e代表面板、膠層和蜂窩芯的前提下,提出了一種新的蜂窩夾芯板固有振動(dòng)分析的數(shù)值模型,如圖3所示,并研究了蜂窩芯的幾何形狀和蒙皮厚度對(duì)特征頻率的影響。結(jié)果表明,提出的等效數(shù)值模型相較于試驗(yàn)結(jié)果,在一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)與彎曲模態(tài)的頻率誤差分別在6%和13%以內(nèi),隨著面板與蜂窩芯厚度的增加,特征頻率也隨之增加,且數(shù)值模型的誤差也相對(duì)增大。Soliman等[44]運(yùn)用經(jīng)典層壓板理論(CLPT)、一階剪切變形理論(FSDT)和高階剪切變形理論(HSDT)對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,建立了蜂窩板的詳細(xì)有限元模型,等效理論的結(jié)構(gòu)與之相比,具有較好的一致性。CLPT、FSDT和HSDT三種理論的位移計(jì)算結(jié)果與詳細(xì)模型相比較,誤差分別為15.5%、15%和7.6%。Li等[45]用經(jīng)典板理論和三階剪切變形理論對(duì)帶SCSC邊緣支撐的對(duì)稱矩形蜂窩板的自由彎曲振動(dòng)進(jìn)行了比較研究,結(jié)果表明,對(duì)于蜂窩板的振動(dòng)分析,經(jīng)典板理論并不適用,誤差較大,有必要采用高階板理論。Liu等[46]利用材料力學(xué)方法確定了蜂窩芯有效力學(xué)性能,并構(gòu)造等效層合板來模擬蜂窩結(jié)構(gòu),利用有限元法對(duì)等效層合板和蜂窩板詳細(xì)模型的熱特性和自由振動(dòng)特性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,等效模型與詳細(xì)模型在熱傳遞和模態(tài)分析方面具有較好的一致性。姜東等[47]提出了一種考慮膠層的蜂窩夾層的等效模擬方法.并推導(dǎo)了其等效參數(shù),將該方法與其他兩種等效方法進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,所提出的等效方法在考慮膠層的影響后,計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確,在頻率計(jì)算方面其最大誤差不超過5%,且前四階頻率的平均誤差也由夾芯板理論的10.06%和等效板理論的6.00%降為2.03%。Xu等[48]提出了一種新的多層等效有限元模型,對(duì)嵌入式蜂窩板的力學(xué)性能進(jìn)行分析。該等效方法和現(xiàn)有的等效板理論相比,在頻率結(jié)果方面,最大誤差由14.21%減小到6.5%,在位移結(jié)果方面,最大誤差由6.25%減小到3.1%,在應(yīng)力結(jié)果方面,最大誤差由9.41%減小到5.3%,表明該多層等效模型具有較高的計(jì)算精度�；谠摰刃Ｐ�,進(jìn)一步建立了胞元尺寸和嵌入深度與頻率的函數(shù)關(guān)系,直觀地反映了參數(shù)對(duì)固有頻率的影響。徐洋等[49]提出了一種蜂窩結(jié)構(gòu)的鋪層等效有限元建模方法并推導(dǎo)出其等效參數(shù),將結(jié)果與其他等效方法進(jìn)行對(duì)比研究,結(jié)果表明,該方法在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下,較大程度地提高了計(jì)算效率。Shi等[50]提出了一種等效剛度模型來解析估計(jì)蜂窩-網(wǎng)格混合夾芯板復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)(如圖4所示)的剛度矩陣,通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證了等效剛度模型的準(zhǔn)確性以及可靠性,等效剛度模型預(yù)測(cè)的抗彎與抗拉剛度值與試驗(yàn)所得到的平均值誤差分別為0.5%和19%。在此基礎(chǔ)上,研究了面板厚度、芯層高度、網(wǎng)格間距、肋寬和材料性能對(duì)混合芯層夾層結(jié)構(gòu)剛度的影響。

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號(hào)：3350441