泡沫夾層結(jié)構(gòu)通常是由金屬面板和泡沫芯層膠粘而成,有比強度高、比剛度大、比模量高的特點,并能根據(jù)需要提供保溫、隔熱和降噪功能。此外,球殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間大,有較好的承載性能。因此被廣泛應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈和飛機的整流罩、燃料貯箱、壓力容器以及深海探測設(shè)備等同時具有承載性能和特殊功能要求的零件。該類結(jié)構(gòu)的承載能力、變形特點和吸能特性等是實際構(gòu)件在復(fù)雜環(huán)境中服役性能高可靠性的制約因素。泡沫夾層球殼中異質(zhì)多層材料的熱物性和力學(xué)性能差異大,結(jié)構(gòu)承載性能對結(jié)構(gòu)尺寸、制造缺陷和服役條件非常敏感,尤其在深海和空天低溫服役環(huán)境下容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層間熱變形不協(xié)調(diào),承載能力顯著下降。另外,該類構(gòu)件通常尺寸大、加工工序多、制造和試驗成本高,因此迫切需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計和試制階段,能準(zhǔn)確預(yù)測其低溫承載性能和受壓變形模式。本文以泡沫夾層球殼為研究對象,從設(shè)計、制造和服役條件三個方面分析其壓縮承載性能的影響規(guī)律。從設(shè)計角度,針對夾層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的幾何敏感性,提出受壓變形模式的判別準(zhǔn)則,為泡沫夾層球殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù);針對低溫服役環(huán)境,通過數(shù)值仿真獲得低溫載荷對結(jié)構(gòu)受壓變形模式和承載能力的影響規(guī)律;從制造角度,提出了考慮制造缺陷的泡沫夾層球殼實際構(gòu)件低溫受壓變形行為的仿真預(yù)測方法,為滿足服役性能的制造工藝提出控制目標(biāo)。本文主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:(1)泡沫夾層球殼受壓變形模式判別準(zhǔn)則研究通過單層球殼和泡沫夾層球殼的壓縮試驗和仿真,觀察結(jié)構(gòu)變形行為,分析結(jié)構(gòu)承載性能和受壓變形模式的特點。以單層球殼受壓變形理論解析為基礎(chǔ),建立了泡沫夾層球殼受壓變形過程中泡沫密實—順序承載—疊加效應(yīng)全過程的理論解析模型�；趦�(nèi)外面板承載性能的對比分析,揭示了對應(yīng)泡沫夾層球殼兩種受壓變形模式的物理機制,并建立受壓變形模式的理論解析模型和判別準(zhǔn)則�；谠摐�(zhǔn)則獲得了平臺式和內(nèi)凹式兩種受壓變形模式發(fā)生轉(zhuǎn)變的內(nèi)外面板厚度比臨界條件,并建立了與材料和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)相關(guān)的受壓變形模式臨界厚度比定量計算模型,可實現(xiàn)泡沫夾層球殼受壓變形模式的快速判斷,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和輕量化提供理論依據(jù)。(2)低溫環(huán)境對泡沫夾層球殼受壓變形行為影響規(guī)律研究通過低溫環(huán)境下力學(xué)試驗,獲得面板和芯層材料低溫力學(xué)性能,建立泡沫夾層球殼低溫受壓變形過程熱力耦合數(shù)值仿真模型,并與試驗結(jié)果進行對比驗證。對常溫和低溫環(huán)境下的泡沫夾層球殼壓縮性能進行研究,分析不同低溫環(huán)境形式對泡沫夾層球殼變形行為的影響。結(jié)合泡沫夾層球殼受壓變形模式判別準(zhǔn)則,分析低溫變形對面板臨界厚度比的影響。對比不同受壓變形模式下結(jié)構(gòu)承載力和變形量,揭示環(huán)境溫度對結(jié)構(gòu)承載性能和受壓變形模式的影響規(guī)律和機理。(3)含有初始脫粘缺陷的泡沫夾層壓縮過程數(shù)值建模方法研究針對實際構(gòu)件制造過程中存在的初始脫粘缺陷現(xiàn)象,提出了單個和隨機初始缺陷生成方法,通過提取面板/芯層接觸節(jié)點集進行編程處理,設(shè)置不同大小和分布形式的單個初始脫粘缺陷,或根據(jù)不同初始脫粘面積比隨機生成含有初始脫粘缺陷的粘接面,通過數(shù)值仿真分析結(jié)構(gòu)承載能力對單個初始脫粘缺陷及整體脫粘面積比的敏感程度。為分析含有初始脫粘缺陷的實際零件建立起更可信高效的數(shù)值仿真建模方法。(4)實際構(gòu)件低溫承載性能和初始缺陷敏感性分析使用本文研究獲得的熱力耦合仿真技術(shù)和脫粘生成技術(shù),分析常溫和超低溫環(huán)境下共底夾層構(gòu)件的承載性能。進一步引入初始脫粘缺陷以及面/芯裝配間隙,觀察初始脫粘缺陷在承載過程中的臨界擴展時刻、載荷大小以及擴展過程。獲得結(jié)構(gòu)對初始脫粘缺陷敏感的區(qū)域、對承載性能影響更明顯的脫粘區(qū)域分布形式、單個脫粘區(qū)域臨界面積尺寸和整體脫粘面積比臨界值,用來指導(dǎo)膠粘工藝質(zhì)量控制。同時獲得整個結(jié)構(gòu)上面/芯裝配間隙對結(jié)構(gòu)承載性能影響最大的區(qū)域,反饋到面板、芯層單個零件的加工質(zhì)量控制上。從而實現(xiàn)對共底夾層構(gòu)件制造工藝的指導(dǎo)。綜上所述,本文針對低溫環(huán)境下泡沫夾層球殼壓縮承載性能問題,分析了低溫環(huán)境對此類結(jié)構(gòu)承載能力和受壓變形模式的影響,揭示了改變結(jié)構(gòu)受壓變形模式的根本原因,建立了可考慮溫度和初始脫粘缺陷的數(shù)值建模方法,并將其應(yīng)用到實際構(gòu)件性能評估中,實現(xiàn)對此類結(jié)構(gòu)受載極限、失效時刻和危險區(qū)域的預(yù)測和設(shè)計制造要求反饋。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：V214;TJ760.1
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
符號表
縮略詞表
第一章 緒論
    1.1 課題研究背景、意義及來源
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究目的與意義
        1.1.3 課題來源
    1.2 夾層球殼結(jié)構(gòu)承載性能的研究現(xiàn)狀
        1.2.1 球殼結(jié)構(gòu)承載性能研究
        1.2.2 泡沫夾層結(jié)構(gòu)承載性能及變形模式研究
        1.2.3 環(huán)境溫度對夾層結(jié)構(gòu)承載性能的影響
        1.2.4 夾層結(jié)構(gòu)脫粘失效的數(shù)值仿真研究進展
        1.2.5 研究現(xiàn)狀總結(jié)
    1.3 本文主要研究內(nèi)容
第二章 常溫下泡沫夾層球殼受壓變形數(shù)值模擬
    2.1 引言
    2.2 球殼受壓變形分析
    2.3 常溫下泡沫夾層球殼壓縮過程數(shù)值模型
        2.3.1 單層球殼壓縮過程數(shù)值建模及驗證
        2.3.2 夾層球殼壓縮過程數(shù)值建模及驗證
        2.3.3 數(shù)值模型樣本設(shè)計
    2.4 常溫下泡沫夾層球殼受壓變形行為分析
        2.4.1 變形模式跳躍點變化
        2.4.2 承載性能分析
        2.4.3 頂點壓縮量比較
        2.4.4 面板厚度比對承載性能影響
    2.5 本章小結(jié)
第三章 泡沫夾層球殼受壓變形模式判別準(zhǔn)則研究
    3.1 引言
    3.2 單層球殼受壓變形理論解析
        3.2.1 彈性變形階段
        3.2.2 對稱變形階段
        3.2.3 非對稱變形階段
        3.2.4 單層球殼壓縮行為理論解析驗證
    3.3 單層球殼受壓變形行為研究
        3.3.1 變形模式轉(zhuǎn)換分析
        3.3.2 模式跳躍點與幾何尺寸關(guān)系
        3.3.3 結(jié)構(gòu)能量吸收預(yù)測
    3.4 泡沫夾層球殼受壓變形行為理論解析
        3.4.1 內(nèi)凹模式的理論解析及驗證
        3.4.2 平臺模式的理論解析及驗證
        3.4.3 兩種變形模式的判別準(zhǔn)則
    3.5 受壓變形模式面板臨界厚度比分析
        3.5.1 結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)影響
        3.5.2 內(nèi)外面板材料參數(shù)影響
    3.6 本章小結(jié)
第四章 低溫環(huán)境下泡沫夾層球殼受壓變形行為研究
    4.1 引言
    4.2 材料低溫力學(xué)性能測試
        4.2.1 201 不銹鋼
        4.2.2 PVC80 泡沫
    4.3 低溫下泡沫夾層球殼壓縮過程數(shù)值模擬
        4.3.1 熱力耦合數(shù)值模型建模方法介紹
        4.3.2 泡沫夾層球殼低溫壓縮數(shù)值仿真模型驗證
        4.3.3 數(shù)值模型樣本設(shè)計
    4.4 泡沫夾層球殼低溫環(huán)境壓縮性能研究
        4.4.1 溫度分布及熱變形分析
        4.4.2 低溫環(huán)境對變形模式的影響
        4.4.3 低溫環(huán)境對壓縮力影響
        4.4.4 受壓變形量比較
    4.5 本章小結(jié)
第五章 初始脫粘缺陷對泡沫夾層壓縮性能的影響
    5.1 引言
    5.2 基于VCCT脫粘過程的數(shù)值仿真建模
        5.2.1 膠接失效臨界應(yīng)變能釋放率測量
        5.2.2 VCCT脫粘數(shù)值模型的驗證
    5.3 初始脫粘缺陷生成
        5.3.1 初始單個脫粘缺陷的設(shè)置
        5.3.2 隨機初始脫粘缺陷的生成
    5.4 初始脫粘缺陷對夾層結(jié)構(gòu)承載性能的影響
        5.4.1 初始單個缺陷影響
        5.4.2 初始脫粘面積比影響
    5.5 本章小結(jié)
第六章 共底夾層承載性能及制造缺陷敏感性分析
    6.1 引言
    6.2 共底夾層構(gòu)件基本介紹
        6.2.1 共底夾層幾何結(jié)構(gòu)
        6.2.2 面板及芯層材料性能
        6.2.3 共底夾層構(gòu)件的服役要求
        6.2.4 共底夾層構(gòu)件脫粘缺陷檢測及失效情況
    6.3 共底夾層構(gòu)件的數(shù)值模型
        6.3.1 幾何對稱模型建立
        6.3.2 熱力耦合模型選擇
        6.3.3 常溫和超低溫環(huán)境下共底夾層構(gòu)件承載性能對比
    6.4 制造缺陷對共底夾層構(gòu)件服役性能的影響
        6.4.1 初始脫粘形狀和尺寸的影響
        6.4.2 初始脫粘總面積的影響
        6.4.3 制造偏差的影響
    6.5 共底夾層構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
        6.5.1 設(shè)計方案介紹
        6.5.2 外面板溫度及熱應(yīng)力分析
        6.5.3 脫粘擴展情況對比
    6.6 本章小結(jié)
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 主要研究成果與研究結(jié)論
    7.2 主要創(chuàng)新之處
    7.3 研究展望
參考文獻
致謝
攻讀博士學(xué)位期間論文發(fā)表情況

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