冲击载荷下蜂窝及其夹芯结构力学行为研究

发布时间：2020-08-13 14:26

【摘要】：轻质蜂窝及其夹芯结构以其高比强度、高比刚度以及优异的性能可设计性等特点广泛应用于航空航天、交通运输以及个人防护等各种国防以及民用工业领域。服役过程中,蜂窝及其夹芯结构会面临各种各样的冲击问题。本文针对蜂窝材料压剪组合下的力学行为、自相似及非自相似的层级蜂窝力学特性和蜂窝夹芯面板的低速落锤冲击等问题,分别采用试验研究、理论分析和数值模拟等方法开展研究,以揭示冲击载荷作用下蜂窝及其夹芯结构力学特性与宏细观结构特点之间的关系,以及结构压缩变形和能量吸收耗散机理。针对传统六边形蜂窝,设计搭建了一套可实现压剪载荷单独测量的测试系统,克服了压剪载荷解耦的难题,并开展了多工况蜂窝压剪组合试验。研究发现,压剪组合作用下蜂窝材料出现两种变形失效模式,分别表现为面外法向轴线旋转和不旋转。变形模式对冲击响应影响显著,轴线旋转变形模式下会出现负的剪切力。加载角度和加载平面对变形模式、冲击响应以及平台应力等影响各不相同。可以采用椭圆形包络线对蜂窝材料的初始屈服强度进行有效拟合估计。针对层级圆管结构,通过全部或部分的层级设计,生成了一种完全替代层级圆管和一种部分替代层级圆管。分别开展了两种结构压缩行为及吸能特性研究,建立了层级结构参数,包括微元尺寸和数量,与结构变形模式、平台压缩力以及能量吸收之间的关系。研究表明,通过合适的层级设计可以大大提升薄壁圆管结构的抗冲击性能以及吸能特性。针对基于顶点替代的自相似层级蜂窝,采用超级折叠单元法建立了面外平台压缩力解析模型,重点讨论了层级阶次对平台压缩力的影响。研究表明,自相似层级设计可以显著提升蜂窝的面外抗冲击性能;阶次足够大时,对于次级微元尺寸以1/2规律递减的自相似层级蜂窝,相邻阶次的平台压缩力放大系数为一常数?_n?1.26。针对基于顶点替代、正三角形微元的非自相似层级蜂窝,分别提出了面内和面外冲击特性的数值分析方法。研究发现,层级参数会显著影响蜂窝面内变形模式,对面外变形模式影响则不大;非自相似层级设计不一定会提升蜂窝的抗冲击性能以及吸能特性,只有特定尺寸的层级微元才有利于冲击性能的提升;非自相似层级设计对面内抗冲击性能的提升大于面外方向。针对蜂窝夹芯面板低速落锤冲击问题,分别开展了试验和数值仿真分析,并重点讨论了冲击能量对面板塑性凹坑变形以及吸能特性的影响。建立了相应的落锤冲击理论模型并改进发展了能量平衡理论模型,揭示了低速落锤冲击下蜂窝夹芯面板变形模式、凹坑形成以及能量吸收与耗散机理。研究表明,蜂窝夹芯板具有优异的吸能特性,绝大部分的冲击能量会在冲击过程中被上面板和芯层以塑性耗散能的形式吸收耗散;通过调整冲击速度或冲锤质量获取的不同冲击能量对凹坑和吸能特性的影响不尽相同;提出了不同冲击能量下,面板凹坑深度以及能量吸收的半经验公式。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

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研究背景随着航空航天工业的发展，飞机的安全性、经济性、舒对飞机结构材料的密度、强度、模量及其综合性能要求高强度、高比模、耐高温以及优异的性能可设计性等优得到了长足的发展，并在各种工业领域，尤其是航空航天材料类型多种多样，按照其结构形式大致可以分为纤维材料[3]、颗粒复合材料[4]以及混杂复合材料[5]等。以蜂窝及其夹芯结构为典型代表的轻质多孔材料和轻质高和优异的抗冲击性能等特点在航空航天领域得到了广蜂窝夹芯结构承受面外载荷时，能够在保证弯曲刚度与大的前提下，减重达到 70~90%，非常符合飞机对轻量作为缓冲吸能材料广泛应用于交通运输、包装及个人防

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第一章绪论19]等，此类周期性多孔结构可以统称为蜂窝材料。蜂窝材料相抗击冲击载荷方面表现优异，主要是因为蜂窝材料在承受准载荷时，表现出以下特点[11]：1，不可逆的能量转换；2，受限长的冲击行程；4，稳定的和可重复的变形模式；5，质量轻、比安装。

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东南大学博士学位论文如维修时工具的跌落、跑道石子的冲击和冰雹冲击等；高速、高能量的冲击，比如鸟、炮弹冲击等等。冲击载荷作用下，蜂窝材料的变形模式比较复杂，可能会发生弹性曲以及塑性屈曲等，不同结构形式的蜂窝材料及其夹芯结构变形和失效模式也不尽相。而且随着冲击载荷形式和冲击速率的改变，蜂窝材料也可能表现出不同的压缩性能吸能特性。因此如何评价结构对冲击载荷的承载能力、冲击载荷作用下蜂窝及其夹芯构的力学行为，成为近年来工程领域中十分关注的课题。

【参考文献】