超轻多孔材料嵌锁制备工艺及性能研究

发布时间：2018-11-29 13:49

【摘要】：轻质多孔结构材料作为一种典型生物结构材料普遍存在于自然界中,如树木、岩石、骨头及珊瑚等,多孔的构造减轻了结构的重量,同时又发挥着不可替代的承载和多功能特性。众所周知,多孔结构材料的力学性能及多功能特性与微观孔的几何尺寸和孔隙率息息相关。因此,与传统材料相比,多孔材料可通过改造其微观结构来控制结构的力学性能和多功能特性指标,结构可设计性更强。本文设计出两种新型多孔结构:波纹板-金字塔点阵夹芯结构和周期性桁架结构。第一章简单介绍了课题研究背景及目的意义,对多级结构和周期性桁架结构这两类多孔材料的研究现状进行了阐述,发现与二维多孔材料相比,如蜂窝夹芯结构等,三维多孔材料的制备工艺更加复杂繁琐,束缚三维多孔材料的研究进展。因此,本文提出了一套简单可行且成本低廉的制备工艺,设计并制备出两种多孔材料:波纹板-金字塔点阵夹芯结构和周期性桁架结构,并对其压缩性能进行了研究。第二章在金字塔点阵夹芯结构基础之上,设计出波纹板-金字塔二级点阵夹芯结构。首先,基于位移协调条件和力的平衡方程,推导出波纹板-金字塔点阵夹芯结构的等效平压刚度和等效平压强度。其次,采用有限元软件Ansys对金字塔和波纹板-金字塔点阵夹芯结构参数化建模,并对等相对密度的两种点阵夹芯结构的屈曲临界载荷进行了数值模拟。在平压载荷作用下,当芯杆在12面内弯曲时,二级点阵结构抗屈曲能力才优于一级结构;当芯杆在13面内弯曲时,一级点阵结构抗屈曲能力较强。第三章采用3D打印技术成功制备出聚合物(PVC)金字塔和波纹板-金字塔点阵夹芯结构,并对两种点阵夹芯结构进行了平压试验。研究结果表明,在等相对密度条件下点阵结构芯杆在13面内弯曲时,无论是等效刚度还是等效强度,一级点阵夹芯结构都优于二级结构,一定程度上验证了等效平压理论。第四章首先对周期性桁架结构进行了设计,其次,基于位移协调条件和力的平衡方程,推导出周期性桁架结构的等效平压刚度和等效平压强度,发现在面外平压载荷作用下周期性桁架结构主要存在4种失效模式:单胞中竖杆屈曲、竖杆压溃、斜杆屈曲和斜杆压溃。然后,采用三维建模软件Solidworks对相对密度为9.52%的周期性桁架结构进行建模,并导入有限元软件Abaqus进行模拟,模拟结果与理论值相差15%。第五章采用线切割-嵌锁组装及雕刻-嵌锁组装方法分别制备出相对密度为7.77%的304不锈钢周期性桁架结构和相对密度为10.63%的复合材料周期性桁架结构,并对其进行了准静态平压试验,得到结构变形形态。研究发现,结构嵌片嵌槽口的链接强度决定着结构的失效模式。当焊接强度较高时,嵌缝处不开裂,邻近约束端结构形成压缩带,结构逐层压溃,压缩带向下移动致整个结构致密化;当焊接强度较低时,结构最外侧最先发生嵌片屈曲,邻近约束端结构形成压缩带,结构逐层压溃,压缩带向下移动致整个结构致密化。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.4

【参考文献】