非对称蜂窝夹芯结构抗冲击性能研究
发布时间：2021-01-25 12:44
在现代战争中雷达隐身已经成为航空飞行器的重要指标。而在飞行器中蜂窝夹芯结构是作为减轻飞机重量的重要结构材料,同时蜂窝夹芯结构具有非常强的可设计性。为了使作为蒙皮材料的蜂窝夹芯结构具有电磁波吸收功能,需要对蜂窝夹芯结构进行结构隐身一体化设计,兼顾力学和吸波双重设计指标。上面板应具有电磁波透射/承载功能,下面板具有电磁波反射/承载功能,蜂窝芯子通过挂壁或填充功能材料使其具有电磁波吸收功能。由于这种电磁吸波功能的引入,造成了蜂窝夹芯板几何结构的非对称和材料体系的非对称,进而影响到蜂窝夹芯结构的力学性能。本论文重点研究非对称蜂窝夹芯板的抗冲击性能。由于复合材料在动态加载时,材料强度会随应变率的变化而变化。首先用Cowper Symonds模型拟合了复合材料的强度随应变率变化的规律。然后利用LS-DYNA建立了非对称蜂窝夹芯结构的有限元模型,将拟合的结果引入到有限元模型中。利用建立的有限元模型研究了非对称蜂窝夹芯板在不同低速冲击能量下的失效模式。仿真结果表明,在低能量范围内,主要为上面板基体拉伸失效,蜂窝芯子屈曲,芯子和面板脱粘,芯子变形范围只集中在冲击区域内。功能填充材料的引入会抑制面板的损伤...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
蜂窝夹芯板的构成
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2在航空航天领域，由于飞行器在使用过程中需要克服自身重量产生的重力。因此，在飞行器的设计中，结构重量是设计的重要指标。为了达到飞行器轻量化设计的目标，需要可设计性好的轻质高强材料来代替原来的金属材料。而夹芯结构的高比强度和比刚度非常适合现在飞行器的使用特点。目前，蜂窝夹芯结构材料主要应用在飞行器的机翼和机身等部件上。比如，B-58高速轰炸机蜂窝夹芯材料的应用面积达到外形面积的85%。同时，随着各种先进防空系统的发展，雷达侦测技术的提高，军用飞行器被发现的距离越来越远，飞行器在空中作战中的生存面临更大的危机。而如何提高飞行器的隐身性能，提高飞行器的突防能力，成为了各军事大国研究的重点。飞行器隐身是通过控制和减缩飞行器的特征信号实现的，隐身技术减少雷达等探测系统的发现距离，从而减少了以特征信号为引信的制导武器的命中概率。提高了飞行器的生存能力、突防能力和作战效能。同时飞行器隐身引发了空军作战样式的变革。而在飞行器的隐身技术中主要有外形隐身技术、材料隐身技术、有源对消技术和无源对消技术等。其中，材料隐身技术一直是在隐身技术中占有举足轻重的位置。而蜂窝夹芯板也经常会用在飞行器的蒙皮结构上。因此对蜂窝夹芯板的隐身设计就显得尤为重要[1]。图1-2B-58高速轰炸机为了提高飞行器的隐身性能，需要对作为飞行器蒙皮结构的蜂窝夹芯板进行结构隐身一体化设计。现代飞行器的吸波夹芯结构材料至少由透射层、夹芯结构和反射层三部分组成[2]。在蜂窝夹芯板的上面板采用具有透射电磁波性能的材料体系，如玻纤/环氧复合材料，透射层的作用是让电磁波入射到夹芯结构的内部。在蜂窝夹芯板的下面板采用具有反射电磁波性能的材料体系，如航空领域常用的碳
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3纤/环氧复合材料，反射层的作用是阻止电磁波入射到机体内部。而在蜂窝芯子采用无电磁损耗的芳纶纸蜂窝，而不是采用金属蜂窝，因为金属蜂窝具有电磁屏蔽和电磁波强反射性能，不利于电磁波的吸收。并且，为了增加芳纶纸蜂窝的电磁波损耗能力，利用蜂窝夹芯结构的可设计性特点，在蜂窝夹芯结构的芯子内挂载或填充吸波功能材料[3,4]。图1-3结构隐身一体化蜂窝夹芯板蜂窝夹芯板在使用过程中经常会受到各种各样的冲击载荷，由冲击载荷造成的损伤往往会使整个飞行器发生重大事故。而基于飞行器隐身功能考虑的结构隐身一体化蜂窝夹芯板，主要作为飞行器的蒙皮材料，在使用过程中会遇到多种形式的冲击载荷作用。严重时会破坏飞行器的气动外形，造成飞行器的坠毁。因此，针对由结构隐身一体化而设计出来的非对称蜂窝夹芯板的抗冲击性能研究就显得格外的重要。1.2国内外研究现状1.2.1夹芯结构理论研究进展Abrate[5]总结了以往学者在解析法方面对复合材料夹层结构的研究，主要的解析方法有3种，分别是假设结构准静态的弹簧-质量模型、简化方式考虑结构动力学的能量守恒模型和完全模拟结构动力学行为的模态叠加模型。Lin[6]等用离散弹簧质量模型计算了夹芯板的冲击响应，得出了复合材料层合板和复合材料夹芯板在准静态压痕和子弹冲击下的变形、穿透和穿孔的解析解。从准静态试验得到冲击阻抗的函数关系，并将其在高应变率下进行了调整。Rekatsinas[7]等使用三阶样条多项式近似厚度在平面内和横向位移，从而捕捉了厚夹层板中所有层间应力的高度不均匀性，从而提出了三维分层理论。并且将分层理论集成到了Gauss-Lobatto-Legendre积分节点上，从而使冲击仿真分析具有高度的空间收敛性和缩减显式
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SPH方法的鸟撞复合材料层合板数值分析[J]. 于永强,李成,铁瑛. 玻璃钢/复合材料. 2017(05)
[2]基于LS-DYNA的复合材料层合板低速冲击损伤研究[J]. 刘玄,张晓晴. 科学技术与工程. 2012(12)
[3]低成本翼面隐身结构的设计和RCS测试分析[J]. 聂毅,余雄庆,黄爱凤. 系统工程与电子技术. 2005(09)
[4]复合材料夹层吸波结构[J]. 孙占红,郭春艳. 航空制造技术. 2002(01)
博士论文
[1]纤维增强复合材料的非线性动力本构与冲击损伤破坏行为[D]. 龙舒畅.华南理工大学 2018
[2]颗粒填充纤维增强复合材料动态力学性能及其夹芯结构抗撞击性能研究[D]. 邬志华.国防科学技术大学 2016
本文编号：2999246
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
蜂窝夹芯板的构成
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2在航空航天领域，由于飞行器在使用过程中需要克服自身重量产生的重力。因此，在飞行器的设计中，结构重量是设计的重要指标。为了达到飞行器轻量化设计的目标，需要可设计性好的轻质高强材料来代替原来的金属材料。而夹芯结构的高比强度和比刚度非常适合现在飞行器的使用特点。目前，蜂窝夹芯结构材料主要应用在飞行器的机翼和机身等部件上。比如，B-58高速轰炸机蜂窝夹芯材料的应用面积达到外形面积的85%。同时，随着各种先进防空系统的发展，雷达侦测技术的提高，军用飞行器被发现的距离越来越远，飞行器在空中作战中的生存面临更大的危机。而如何提高飞行器的隐身性能，提高飞行器的突防能力，成为了各军事大国研究的重点。飞行器隐身是通过控制和减缩飞行器的特征信号实现的，隐身技术减少雷达等探测系统的发现距离，从而减少了以特征信号为引信的制导武器的命中概率。提高了飞行器的生存能力、突防能力和作战效能。同时飞行器隐身引发了空军作战样式的变革。而在飞行器的隐身技术中主要有外形隐身技术、材料隐身技术、有源对消技术和无源对消技术等。其中，材料隐身技术一直是在隐身技术中占有举足轻重的位置。而蜂窝夹芯板也经常会用在飞行器的蒙皮结构上。因此对蜂窝夹芯板的隐身设计就显得尤为重要[1]。图1-2B-58高速轰炸机为了提高飞行器的隐身性能，需要对作为飞行器蒙皮结构的蜂窝夹芯板进行结构隐身一体化设计。现代飞行器的吸波夹芯结构材料至少由透射层、夹芯结构和反射层三部分组成[2]。在蜂窝夹芯板的上面板采用具有透射电磁波性能的材料体系，如玻纤/环氧复合材料，透射层的作用是让电磁波入射到夹芯结构的内部。在蜂窝夹芯板的下面板采用具有反射电磁波性能的材料体系，如航空领域常用的碳
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3纤/环氧复合材料，反射层的作用是阻止电磁波入射到机体内部。而在蜂窝芯子采用无电磁损耗的芳纶纸蜂窝，而不是采用金属蜂窝，因为金属蜂窝具有电磁屏蔽和电磁波强反射性能，不利于电磁波的吸收。并且，为了增加芳纶纸蜂窝的电磁波损耗能力，利用蜂窝夹芯结构的可设计性特点，在蜂窝夹芯结构的芯子内挂载或填充吸波功能材料[3,4]。图1-3结构隐身一体化蜂窝夹芯板蜂窝夹芯板在使用过程中经常会受到各种各样的冲击载荷，由冲击载荷造成的损伤往往会使整个飞行器发生重大事故。而基于飞行器隐身功能考虑的结构隐身一体化蜂窝夹芯板，主要作为飞行器的蒙皮材料，在使用过程中会遇到多种形式的冲击载荷作用。严重时会破坏飞行器的气动外形，造成飞行器的坠毁。因此，针对由结构隐身一体化而设计出来的非对称蜂窝夹芯板的抗冲击性能研究就显得格外的重要。1.2国内外研究现状1.2.1夹芯结构理论研究进展Abrate[5]总结了以往学者在解析法方面对复合材料夹层结构的研究，主要的解析方法有3种，分别是假设结构准静态的弹簧-质量模型、简化方式考虑结构动力学的能量守恒模型和完全模拟结构动力学行为的模态叠加模型。Lin[6]等用离散弹簧质量模型计算了夹芯板的冲击响应，得出了复合材料层合板和复合材料夹芯板在准静态压痕和子弹冲击下的变形、穿透和穿孔的解析解。从准静态试验得到冲击阻抗的函数关系，并将其在高应变率下进行了调整。Rekatsinas[7]等使用三阶样条多项式近似厚度在平面内和横向位移，从而捕捉了厚夹层板中所有层间应力的高度不均匀性，从而提出了三维分层理论。并且将分层理论集成到了Gauss-Lobatto-Legendre积分节点上，从而使冲击仿真分析具有高度的空间收敛性和缩减显式
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SPH方法的鸟撞复合材料层合板数值分析[J]. 于永强,李成,铁瑛. 玻璃钢/复合材料. 2017(05)
[2]基于LS-DYNA的复合材料层合板低速冲击损伤研究[J]. 刘玄,张晓晴. 科学技术与工程. 2012(12)
[3]低成本翼面隐身结构的设计和RCS测试分析[J]. 聂毅,余雄庆,黄爱凤. 系统工程与电子技术. 2005(09)
[4]复合材料夹层吸波结构[J]. 孙占红,郭春艳. 航空制造技术. 2002(01)
博士论文
[1]纤维增强复合材料的非线性动力本构与冲击损伤破坏行为[D]. 龙舒畅.华南理工大学 2018
[2]颗粒填充纤维增强复合材料动态力学性能及其夹芯结构抗撞击性能研究[D]. 邬志华.国防科学技术大学 2016
本文编号：2999246
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