第 1 章 緒論

由于航天器特殊的工作環(huán)境和執(zhí)行任務(wù)使得其具備特殊的力學(xué)性能要求：輕質(zhì)高強(qiáng)、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(qiáng)與隔熱的雙重要求，一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(huì)增加飛行器的總體質(zhì)量，違背了輕質(zhì)的原則。點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)能有效的解決上述問題。點(diǎn)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(xué)性能和實(shí)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(chǔ)上得到的一種拓?fù)漭p型多孔材料。點(diǎn)陣材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(shè)計(jì)既可以實(shí)現(xiàn)超輕的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又可以提高結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度和比模量，使得點(diǎn)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(xué)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(shí)現(xiàn)不同的功能性要求，材料具有的多孔特點(diǎn)則可以實(shí)現(xiàn)對流換熱從而實(shí)現(xiàn)對溫度的有效控制[6-8]； 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有的獨(dú)特伸展性能使其制動(dòng)、促動(dòng)和阻尼震動(dòng)研究得到很大關(guān)注[9]；同時(shí)點(diǎn)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。
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第 2 章 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)材料

2.1 熔模鑄造方法和實(shí)驗(yàn)材料
本文采用熔模鑄造法制備點(diǎn)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(fù)雜的鑄件。由于點(diǎn)陣夾芯板內(nèi)部芯子的復(fù)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(guān)鍵步驟為蠟?zāi)：吞沾尚蜌さ闹苽�。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(guān)鍵。而陶瓷型殼的關(guān)鍵在于適當(dāng)?shù)姆哿Ａ６�、�?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(diǎn)，且灰分少，但是其軟化點(diǎn)較高，澆注系統(tǒng)部分使用自制蠟料，這種蠟料軟化點(diǎn)低，熔化溫度為 70-80℃，但是室溫下強(qiáng)度高、易成型，更好的滿足實(shí)驗(yàn)條件。利用電烙鐵將夾芯板與澆注系統(tǒng)蠟?zāi)：附釉谝黄�，要保證焊接處平整，使得后期制備型殼時(shí)型殼內(nèi)表面圓滑平整，避免鑄件產(chǎn)生應(yīng)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(shí)采用 RVIM-3 真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)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(zhǔn)備工作如下。(1)使用干打法進(jìn)行坩堝爐襯的制備，將制備好的坩堝放入熔煉爐中進(jìn)行燒結(jié)。先用小功率進(jìn)行預(yù)熱、烘干，避免坩堝熱脹出現(xiàn)裂紋，再使用大功率進(jìn)行燒結(jié)。(2)造型。將型殼放入保溫桶中進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)行原材料的準(zhǔn)備，需要準(zhǔn)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(jìn)行金屬的清洗。將清洗干凈的金屬放入爐中進(jìn)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(diǎn)的 Mo 放在坩堝的高溫區(qū)。前期準(zhǔn)備工作結(jié)束后便是合金的熔煉及澆注。熔煉時(shí)先使用小功率進(jìn)行預(yù)熱，防止金屬的瞬間熔化，然后使用大功率進(jìn)行熔化保溫，最后進(jìn)行合金的澆注，澆注時(shí)澆注速率要適當(dāng)，速度過大會(huì)由于內(nèi)部氣壓過大而導(dǎo)致金屬飛濺，速度過小則會(huì)因?yàn)闈沧侯^過小以及流動(dòng)速度慢，金屬冷卻速度快而導(dǎo)致充型效果不佳。

第 3 章 點(diǎn)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(qiáng)度與等效模量 ............................... 18

第 4 章 力學(xué)性能模擬.................................27

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

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

第 4 章 力學(xué)性能模擬

4.1 剛性面板時(shí)夾芯板的平壓剪切性能
如圖所示，芯子應(yīng)力最大處位于桿件的鉸接部位，最大應(yīng)力值達(dá)到 2.94GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料的屈服應(yīng)力值。桿件與上下面板的接觸部位也是應(yīng)力集中較大區(qū)域，此處最大應(yīng)力值達(dá)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(yīng)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(yīng)力分布圖。由圖 4-4 可以看出Kagome 型夾芯板假設(shè)面板為剛性面板時(shí)，平壓載荷下應(yīng)力最大處位于桿件鉸接部位，是最容易遭到破壞的部位，應(yīng)力值可達(dá) 2.5GPa 甚至 3.5GPa 以上，應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的屈服應(yīng)力值。同時(shí)桿件與上下面板的接觸部位也是應(yīng)力集中程度較大的部位，其應(yīng)力值也基本上達(dá)到 2GPa 甚至 2.5GPa，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料的屈服應(yīng)力值。桿件的中間部位是應(yīng)力較小的部位，這些區(qū)域的應(yīng)力值基本上均未達(dá)到材料的屈服應(yīng)力。

4.2 彈性面板時(shí)夾芯板的平壓剪切性能
在模擬時(shí)，將板設(shè)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(jì)算得到的理論等效平壓強(qiáng)度。由于材料的屈服強(qiáng)度為 1172MPa，這里將模擬得到的應(yīng)力分布圖中深藍(lán)色與淺藍(lán)色的分界線定為 1172MPa，即應(yīng)力圖中顏色最深的藍(lán)色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力最小的部分，未達(dá)到屈服應(yīng)力的區(qū)域，其余部分這是其應(yīng)力達(dá)到了屈服應(yīng)力，這樣便可以清晰地看出計(jì)算得到的理論等效平壓強(qiáng)度與實(shí)際等效平壓強(qiáng)度的關(guān)系。在平壓模擬的所有結(jié)果中，將應(yīng)力最小的五種顏色表示的應(yīng)力范圍對應(yīng)一致，應(yīng)力范圍分別為：夾芯板整體的應(yīng)力分布范圍 min-1172MPa、1172MPa-2364MPa、2364MPa-3376MPa、3376MPa-5138MPa，桿 件 的 應(yīng) 力 分 布 范 圍 設(shè) 定 為 min-1172MPa 、 1172MPa-1589MPa 、1589MPa-1979MPa、1979MPa-2136MPa，將應(yīng)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(qiáng)度下的應(yīng)力分布規(guī)律，觀察相對密度、結(jié)構(gòu)和面板厚度對于應(yīng)力變化的影響。
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結(jié) 論

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

本文編號：44631