第 1 章 緒論

由于航天器特殊的工作環(huán)境和執(zhí)行任務使得其具備特殊的力學性能要求：輕質(zhì)高強、構(gòu)型最佳、優(yōu)良的隔熱減震性能、電子屏蔽和智能監(jiān)控的能力等。傳統(tǒng)航天器為了滿足高強與隔熱的雙重要求，一般的結(jié)構(gòu)設計概念為將其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)分離開來，這樣會增加飛行器的總體質(zhì)量，違背了輕質(zhì)的原則。點陣夾芯結(jié)構(gòu)能有效的解決上述問題。點陣夾芯結(jié)構(gòu)是在考慮結(jié)構(gòu)、材料和性能等多方面因素后提出的一種新型的結(jié)構(gòu)，其具有優(yōu)良的力學性能和實用功能，能滿足上述航天器的諸多要求[1-3]。它是在模擬分子單胞的有序排列基礎上得到的一種拓撲輕型多孔材料。點陣材料的結(jié)構(gòu)特點是二維或三維的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架之間的通道沒有填充可以承載的結(jié)構(gòu)。這樣的設計既可以實現(xiàn)超輕的結(jié)構(gòu)特點，又可以提高結(jié)構(gòu)的比強度和比模量，使得點陣夾芯材料在同等的質(zhì)量下具有比金屬泡沫結(jié)構(gòu)更優(yōu)良的力學性能[4,5]；網(wǎng)架之間的空隙又可以填充不同的材料從而實現(xiàn)不同的功能性要求，材料具有的多孔特點則可以實現(xiàn)對流換熱從而實現(xiàn)對溫度的有效控制[6-8]； 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有的獨特伸展性能使其制動、促動和阻尼震動研究得到很大關注[9]；同時點陣結(jié)構(gòu)具有良好的降噪、屏蔽輻射以及抗沖擊碰撞吸能效果。
.........

第 2 章 實驗方法和實驗材料

2.1 熔模鑄造方法和實驗材料
本文采用熔模鑄造法制備點陣夾芯板，熔模鑄造是一種精密鑄造，用來制備表面精度高、結(jié)構(gòu)復雜的鑄件。由于點陣夾芯板內(nèi)部芯子的復雜結(jié)構(gòu)，熔模鑄造是制備夾芯板的常用方法。熔模鑄造的關鍵步驟為蠟模和陶瓷型殼的制備。陶瓷型殼又決定著合金鑄件的質(zhì)量，因此制備質(zhì)量與性能優(yōu)異的陶瓷型殼是制備夾芯板的關鍵。而陶瓷型殼的關鍵在于適當?shù)姆哿Ａ６取?yōu)良的漿料性能以及良好的粘結(jié)劑質(zhì)量。圖 2-1 是制備陶瓷型殼的主要流程。本文中夾芯板蠟料為 WM114 型蠟料，這種蠟料具有變形收縮小的優(yōu)點，且灰分少，但是其軟化點較高，澆注系統(tǒng)部分使用自制蠟料，這種蠟料軟化點低，熔化溫度為 70-80℃，但是室溫下強度高、易成型，更好的滿足實驗條件。利用電烙鐵將夾芯板與澆注系統(tǒng)蠟模焊接在一起，要保證焊接處平整，使得后期制備型殼時型殼內(nèi)表面圓滑平整，避免鑄件產(chǎn)生應力集中。

2.2 合金的熔煉、澆注
本文制備的是鎳基高溫合金 In718 夾芯板。熔煉時采用 RVIM-3 真空感應熔煉爐進行熔煉。坩堝選用氧化鎂坩堝，澆注方式選用重力澆注。熔煉之前需要的準備工作如下。(1)使用干打法進行坩堝爐襯的制備，將制備好的坩堝放入熔煉爐中進行燒結(jié)。先用小功率進行預熱、烘干，避免坩堝熱脹出現(xiàn)裂紋，再使用大功率進行燒結(jié)。(2)造型。將型殼放入保溫桶中進行造型，在型殼外部覆蓋一層目數(shù)較大的氧化鋯與水玻璃混合的漿料，增加型殼的強度，防止?jié)沧⑦^程中型殼的脹裂，氧化鋯與水玻璃的混合比例為 100:7.然后在桶中填滿沙子，固定型殼，放入加熱爐中進行加熱，先是 400℃保溫 24h，然后 700℃保溫 7h。(3)配備原材料。根據(jù) In718 的合金成分，進行原材料的準備，需要準備的合金包括 Ni，F(xiàn)e，Cr，Al，Mo 和 Ti。使用酒精、丙酮等溶劑進行金屬的清洗。將清洗干凈的金屬放入爐中進行 1h 保溫，溫度為 150℃，目的為干燥金屬，除去表面水分。(4)裝料。裝料的原則為上緊下松。將小塊的 Cr、Ti、Al 放在坩堝的底部，而大塊的 Ni、Fe 以及高熔點的 Mo 放在坩堝的高溫區(qū)。前期準備工作結(jié)束后便是合金的熔煉及澆注。熔煉時先使用小功率進行預熱，防止金屬的瞬間熔化，然后使用大功率進行熔化保溫，最后進行合金的澆注，澆注時澆注速率要適當，速度過大會由于內(nèi)部氣壓過大而導致金屬飛濺，速度過小則會因為澆注壓頭過小以及流動速度慢，金屬冷卻速度快而導致充型效果不佳。

第 3 章 點陣夾芯板平壓及剪切性能理論分析 ..............................16

3.1 夾芯板和芯子的相對密度.............................. 16

3.2 夾芯板的等效平壓強度與等效模量 ............................... 18

第 4 章 力學性能模擬.................................27

4.1 剛性面板時夾芯板的平壓剪切性能 .................................. 27

結(jié) 論.................................71

第 4 章 力學性能模擬

4.1 剛性面板時夾芯板的平壓剪切性能
如圖所示，芯子應力最大處位于桿件的鉸接部位，最大應力值達到 2.94GPa，遠遠超過了材料的屈服應力值。桿件與上下面板的接觸部位也是應力集中較大區(qū)域，此處最大應力值達到了 2.5GPa。與相同芯子相對密度的四面體相比，Kagome 型夾芯板的最大應力較小。分析其余六種芯子相對密度的 Kagome 型夾芯板分別在 1291140N、2025342N、4409856N、5715648N、8011008N 和 8028405N集中載荷下的變形情況。圖 4-4 是芯子桿件的應力分布圖。由圖 4-4 可以看出Kagome 型夾芯板假設面板為剛性面板時，平壓載荷下應力最大處位于桿件鉸接部位，是最容易遭到破壞的部位，應力值可達 2.5GPa 甚至 3.5GPa 以上，應力值遠遠超過材料的屈服應力值。同時桿件與上下面板的接觸部位也是應力集中程度較大的部位，其應力值也基本上達到 2GPa 甚至 2.5GPa，也遠遠超過了材料的屈服應力值。桿件的中間部位是應力較小的部位，這些區(qū)域的應力值基本上均未達到材料的屈服應力。

4.2 彈性面板時夾芯板的平壓剪切性能
在模擬時，將板設定為 z 軸及垂直于面板的方向上沒有自由度，在上面板上施加計算得到的理論等效平壓強度。由于材料的屈服強度為 1172MPa，這里將模擬得到的應力分布圖中深藍色與淺藍色的分界線定為 1172MPa，即應力圖中顏色最深的藍色區(qū)域為應力最小的部分，未達到屈服應力的區(qū)域，其余部分這是其應力達到了屈服應力，這樣便可以清晰地看出計算得到的理論等效平壓強度與實際等效平壓強度的關系。在平壓模擬的所有結(jié)果中，將應力最小的五種顏色表示的應力范圍對應一致，應力范圍分別為：夾芯板整體的應力分布范圍 min-1172MPa、1172MPa-2364MPa、2364MPa-3376MPa、3376MPa-5138MPa，桿 件 的 應 力 分 布 范 圍 設 定 為 min-1172MPa 、 1172MPa-1589MPa 、1589MPa-1979MPa、1979MPa-2136MPa，將應力范圍一致化便于發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)和不同相對密度在理論強度下的應力分布規(guī)律，觀察相對密度、結(jié)構(gòu)和面板厚度對于應力變化的影響。
........

結(jié) 論

在等效平壓強度和等效剪切強度模型中引入應力集中因素，，模擬結(jié)果表明，當面板為剛性面板時，四面體型、Kagome 型和金字塔型點陣夾芯板的理論等效平壓強度是實際等效平壓強度的 3 倍、2.5 倍和 3 倍；四面體型、Kagome型和金字塔型點陣夾芯板理論等效剪切強度是實際等效剪切強度的 3 倍、1.6倍和 3.2 倍。施加平壓載荷時，Kagome 型夾芯板芯子的最大應力位置為芯子與面板的連接處或者芯子的鉸接部位，當面板厚度較小時位于芯子與面板的連接部位，當面板厚度較大或面板為剛性時位于芯子的鉸接處；而四面體型夾芯板和金字塔型夾芯板芯子最大應力則位于芯子與面板的接觸部位。施加剪切載荷時，四面體型和金字塔型夾芯板的芯子最大應力位于與上面板的接觸部位；而對于 Kagome 型夾芯板，當面板為彈性面板時芯子最大應力位于與上面板的連接部位，當面板為剛性面板時位于芯子的鉸接部位。
..........

參考文獻（略）

本文編號：44631