本文關(guān)鍵詞：增材制造含流道微桁架夾層壁板熱—力性能分析

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【摘要】：高超聲速飛行器在服役過程中環(huán)境復(fù)雜,存在極為嚴(yán)重的熱障問題；航空結(jié)構(gòu)件對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能及輕量化提出了更為嚴(yán)格的要求；因此研究具有承載與隔熱多功能特性的一體化熱防護(hù)系統(tǒng)尤為重要。近年來,國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了各種構(gòu)型,其中,桁架類夾芯結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異的承載性能成為多功能設(shè)計(jì)的首選結(jié)構(gòu)。然而,傳統(tǒng)制備工藝的發(fā)展限制了結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。本文研究基于多層微桁架夾芯結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)與隔熱性能,并采用增材制造先進(jìn)制造技術(shù),制備了多層微桁架夾芯壁板和一種主動冷卻和承載一體化的含流道微桁架夾層壁板式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)；研究了微桁架夾芯壁板的力學(xué)性能,并采用實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值仿真技術(shù)研究了含流道的微桁架壁板的隔熱和力學(xué)性能。具體研究內(nèi)容和成果如下：(1)基于3D打印的多層微桁架夾芯結(jié)構(gòu)的制備與力學(xué)性能表征。針對傳統(tǒng)工藝制備多層桁架點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)難度大、缺陷多的問題,本文采用增材制造技術(shù)中FDM加工工藝,使用小型3D打印機(jī)制備了不同層數(shù)的微桁架夾芯結(jié)構(gòu),并對其進(jìn)行了平壓實(shí)驗(yàn),測試結(jié)果表明：3D打印技術(shù)能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)多層微桁架夾芯壁板的制備；同其他點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)相比,在壓縮性能方面,多層桁架類夾芯結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)的力學(xué)性能。同時(shí),采用數(shù)值仿真的方法,通過分析施加了位移載荷以及周期性邊界條件的夾芯結(jié)構(gòu)單胞有限元模型,可以評估該結(jié)構(gòu)的壓縮模量值,并且數(shù)值結(jié)果略高于實(shí)驗(yàn)測試。(2)含流道微桁架夾層壁板熱學(xué)性能評估方法。航空結(jié)構(gòu)件對結(jié)構(gòu)性能及輕量化具有嚴(yán)格要求,研究具有承載與隔熱多功能特性的一體化熱防護(hù)系統(tǒng)具有重要意義。針對航空結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)需求,本文提出了一種新型一體化主動熱防護(hù)系統(tǒng)—含流道微桁架夾層壁板。該夾層壁板以多層微桁架為芯體,緊貼加熱表面布置一排流道,具有承載與隔熱雙功能特性,可用于長時(shí)間中等熱流密度條件下的熱性能防護(hù)。對于該新型熱防護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能分析,本文詳細(xì)探討了該結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜的傳熱機(jī)理,并基于簡化假設(shè),提出了一種評估該結(jié)構(gòu)隔熱性能的解析模型,建立了該類新型一體化主動冷卻熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能快速評估方法。通過與詳細(xì)數(shù)值模擬結(jié)果的對比,驗(yàn)證了評估方法的有效性。該方法對于恒溫載荷、溫度線性變化以及恒定熱流載荷工況均適用,為新結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。(3)含流道微桁架夾層壁板力學(xué)性能分析研究。由于新構(gòu)型的承力特性對結(jié)構(gòu)使用具有重要影響。為了評估其力學(xué)性能,本文采用等效法,將復(fù)雜的夾芯結(jié)構(gòu)等效為一塊正交各向異性均質(zhì)板,采用漸近均勻化方法的新求解方法,借助商業(yè)軟件ANSYS,獲取均質(zhì)板的等效剛度系數(shù),該方法操作簡便,計(jì)算效率高。通過討論尺寸參數(shù)對結(jié)構(gòu)剛度性能影響,發(fā)現(xiàn)流道為三角形截面的夾芯結(jié)構(gòu)較橢圓形流道具有更優(yōu)的承載性能,桿徑夾角尺寸參數(shù)的改變對性能影響較小。同時(shí),3D打印制備了不同壁厚的含流道微桁架夾層壁板,進(jìn)行了平壓實(shí)驗(yàn),通過與其他點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)性能的對比,結(jié)果表明：含流道微桁架夾芯結(jié)構(gòu)同樣具有優(yōu)異的承載性能。
【關(guān)鍵詞】：桁架點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu) 一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu) 熱力性能分析 增材制造
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V244.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-22
• 1.1 研究背景及意義10-12
• 1.2 一體化熱防護(hù)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀12-18
• 1.2.1 現(xiàn)有一體化熱防護(hù)系統(tǒng)方案12-16
• 1.2.2 輕質(zhì)桁架類點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)16-18
• 1.3 一體化熱防護(hù)系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)18-20
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容20-22
• 2 3D打印的多層微桁架夾芯結(jié)構(gòu)的制備與力學(xué)性能表征22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 多層微桁架夾芯結(jié)構(gòu)平壓實(shí)驗(yàn)22-28
• 2.2.1 實(shí)體材料的壓縮彈性模量23-24
• 2.2.2 多層微桁架構(gòu)型壓縮彈性模量對比24-28
• 2.3 多層微桁架夾芯結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真分析28-30
• 2.4 小結(jié)30-32
• 3 含流道微桁架夾層壁板熱性能評估方法32-50
• 3.1 含流道微桁架一體化新型熱防護(hù)結(jié)構(gòu)32-33
• 3.2 含流道微桁架夾層壁板隔熱性能評估方法33-44
• 3.2.1 問題描述33-36
• 3.2.2 微桁架內(nèi)部自然對流換熱評估方法36-37
• 3.2.3 流道內(nèi)強(qiáng)迫對流換熱性能評估方法37-43
• 3.2.4 含流道微桁架夾芯結(jié)構(gòu)整體隔熱性能數(shù)值評估方法43-44
• 3.3 方法有效性驗(yàn)證44-49
• 3.3.1 微桁架內(nèi)部自然對流換熱的影響評估44-46
• 3.3.2 驗(yàn)證溫度以及熱流載荷工況下解析模型的正確性46-49
• 3.4 小結(jié)49-50
• 4 含流道微桁架夾層壁板力學(xué)性能評估方法50-61
• 4.1 引言50
• 4.2 剛度性能理論分析50-57
• 4.2.1 問題描述50-51
• 4.2.2 漸近均勻化方法的新求解方法(NIAH)51-54
• 4.2.3 含流道微桁架夾芯結(jié)構(gòu)剛度性能評價(jià)54-55
• 4.2.4 尺寸參數(shù)對結(jié)構(gòu)剛度性能的影響55-57
• 4.3 含流道微桁架夾層壁板平壓實(shí)驗(yàn)57-59
• 4.4 小結(jié)59-61
• 結(jié)論與展望61-62
• 參考文獻(xiàn)62-65
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況65-66
• 致謝66-67

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：1086575