整体中空夹层复合材料力学与隔声性能研究

发布时间：2020-04-14 00:01

【摘要】：航空、航天和建筑等多个领域的迅猛发展对材料的综合性能提出了越来越高的要求,优势单一的材料已经很难满足实际的使用需求。整体中空夹层复合材料是一种新型一体化机织夹层结构材料,兼具机织复合材料和夹层结构的优良性能,应用前景广泛。本文围绕整体中空夹层复合材料的力学与隔声性能展开研究,以期为该材料的推广应用提供理论依据。主要内容包括:(1)通过对整体中空夹层复合材料细观结构的分析和观测,引入“双菱形”芯材结构模型对整体中空夹层复合材料侧拉、侧压、平压、剪切和弯曲等工况下的力学性能进行理论研究,建立了相应理论预测模型,通过将预测结果与试验结果的对比验证了计算的准确性和模型的合理性。同时基于MATLAB平台将理论算法集成,制作了图像交互界面,在此基础上进一步探究织造参数对该材料力学性能的影响。(2)基于“双菱形”芯材结构模型,根据整体中空夹层复合材料不同工况的受力特点,建立了不同尺寸的细观结构模型;采用渐进损伤和屈曲等分析方法对该材料的刚度和强度性能以及细观失效机理进行数值仿真分析,并通过试验对仿真结果进行了验证和补充。(3)在力学性能研究的基础上,基于商用有限元软件ABAQUS建立整体中空夹层复合材料隔声分析的有限元模型,开展了其隔声性能的计算分析,研究了入射角、芯材厚度、面内尺寸和边界约束条件等系统参数对该材料隔声量的影响规律。
【图文】：

夹层结构

面板主要在面内承受正应力和剪应力，而中间的芯材主要承受横向剪应力，起到传递载荷同时稳定面板的作用。芯材往往选用低密度材料，这就在牺牲少量重量指标的情况下，较大幅度地提高了结构的抗弯刚度，并兼具良好的隔热、隔声以及吸能等优势。鉴于这些突出优点，夹层材料甫一出现便受到学界和工业界的广泛关注，特别是在对材料的比刚度、比强度要求较高的航空、航天、航海等领域[3-5]，该类材料的应用十分广泛。最早将夹层结构复合材料应用于航空领域的是英国的“蚊式”轰炸机[6]，为充分利用当时的资源，该轰炸机采用全木质夹层结构。经过近一个世纪的发展，目前的夹层结构复合材料已发展成能适应多种应用领域的庞大“家族”，从生活中常见的瓦楞纸包装箱[7-10]到高铁舱门，甚至飞机的雷达罩[11-13]（如图 1.1 所示），都能看到夹层结构复合材料的身影。（a）瓦楞纸板（b）“和谐号”动车组

蜂窝夹层结构,材料,面板

（a）蜂窝夹层复合材料（b）波音 787 客机图 1.2 蜂窝夹层结构材料及应用尽管上述传统的夹层结构复合材料性能优异且应用广泛，但该类材料的面板与芯材是通过胶接剂粘接而成，界面胶的胶接强度一般很低，在弯曲、冲击和层间剪切等外力作用下，，面板和芯材易发生脱粘[26-30]，从而导致结构破坏并丧失承载能力。也就是说夹层结构复合材料存在层间性能差的致命弱点。整体中空夹层复合材料是一种新型的三维机织夹层结构复合材料，由整体中空织物（如图1.3 所示）和树脂基体复合而成。整体中空织物是采用特殊的机织工艺，将面板与芯材纤维贯穿连接成一体，使厚度方向具有增加纤维的特殊结构织物。该类织物由纬纱、经纱和绒经构成，纬纱和经纱在面内正交织成上下面板，绒经既穿过上下面板又贯穿厚度方向。“中空”并非指上下面板之间空无一物彼此分离，而是上下面板之间存在一定形状的中空层联结构，典型的有“X”形和“8”字形等。由于特殊的结构，整体中空复合材料与传统夹层材料相比有四大优势：(1)一次复合成型，织造效率高；(2)克服了传统的夹层材料如蜂窝、泡沫夹层复合材料易分层、不耐冲击的弱点；(3)可利用夹芯层空间放置预埋件、光纤、导线等，提高材料空间利用率；(4)优良的隔热、隔声性能。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】