蜂窝夹层结构失效模式及疲劳性能的试验研究

发布时间：2017-08-30 16:46

  本文关键词：蜂窝夹层结构失效模式及疲劳性能的试验研究

  更多相关文章： 蜂窝夹层结构 三点弯 失效模式 疲劳寿命

【摘要】：夹层结构在航空、航天等各领域有着广泛应用,并已经作为主要构件使用,然而由于建造成本和技术成熟性问题,其在大型船舶建造领域应用较少。国际海事组织在2011年通过了包括船舶能效设计指数(EEDI)在内的修正案并于2013年开始实施,EEDI对船舶能效水平的要求必须依靠采用新型节能技术和设备来实现,作为一类比强度和比刚度大的构件,金属蜂窝夹层结构可以在减轻船舶自重方面发挥很大作用,有着光明的应用前景。目前针对该类构件的研究较少,为了推动对其的利用,需要进行更深入的研究。本文以试验研究为主,结合梁的简单弯曲理论等探讨了铝蜂窝夹层结构在三点弯曲载荷工况下的失效模式问题,又从唯象理论角度探讨了疲劳寿命问题：夹层结构的失效模式有多种,出现何种失效模式与试件材料及试验条件有关,本文对面板屈服、压入和芯子(剪切)失效三种模式进行了理论求解。首先借助梁的简单弯曲理论分析了上、下不等厚面板夹层结构中的应力分布,给出了计算正应力和弯曲切应力的公式并做了一定简化,为分析各失效模式打下基础。按照弯曲理论得到了面板失效的临界载荷；在考虑压入失效时使用了两种模型：(1)面板中产生塑性铰,芯子产生塑性变形,(2)面板发生弹性变形,芯子为塑性变形；芯子失效模型中包含了两种合理的变形模式,出现哪一种变形模式与夹层结构几何尺寸和材料特性有关。根据夹层结构的试验规范进行了不同跨距三点弯曲试验,得到了各试件的载荷-挠度曲线和失效载荷。通过对载荷值、试件变形、应变和试验视频的比对分析,探讨了夹层结构的失效模式和机理。试验中主要出现两种失效模式：压入和面板屈服,在小跨距下为压入失效,当跨距增大到一定值时为面板屈服,压入失效中芯子压溃从其高度方向的中间部分开始。不同跨距的弯矩-挠度曲线显示剪切荷载在较短跨距时的作用增加。根据失效模式理论建立了失效模式图,将理论结果同试验结果进行了比较,表明对试验所用材料,基于弹性面板的压入模型更加合理。失效理论对试件的失效模式预测准确,也较好预测了理论失效载荷的大小。在夹层结构三点弯疲劳试验中,进行了两个芯子排列方向、两种载荷比的疲劳试验,得到了其中一种载荷比条件下试件在两个芯子排列方向上的疲劳寿命曲线,试验结果表明在载荷水平较大时,L向试件疲劳寿命大于w向,而当载荷水平较小时,W向试件疲劳寿命更长。在载荷水平较小时,疲劳寿命的离散度较大。试件在不同载荷比的疲劳寿命对比表明载荷比越小,相同载荷水平下试件疲劳寿命就越短。最后对疲劳寿命曲线进行了拟合并验证了基于刚度退化理论的疲劳寿命模型对铝蜂窝夹层结构的适用性。
【关键词】：蜂窝夹层结构 三点弯 失效模式 疲劳寿命
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-26
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 夹层结构介绍及应用12-17
• 1.2.1 夹层结构简介12-13
• 1.2.2 夹层结构的应用13-15
• 1.2.3 夹层结构在船舶建造领域的应用15-17
• 1.3 夹层结构制造方法17-19
• 1.4 夹层结构研究现状19-24
• 1.4.1 夹层结构理论研究介绍19-20
• 1.4.2 夹层结构静力学试验研究20-23
• 1.4.3 夹层结构疲劳性能试验研究23-24
• 1.5 本文主要研究内容24-26
• 2 夹层结构的失效模式26-40
• 2.1 引言26-27
• 2.2 失效模式介绍27-28
• 2.3 具有上下不等厚面板的夹层结构应力计算28-33
• 2.3.1 夹层结构芯子的面内弹性模量28
• 2.3.2 中性轴的确定28-30
• 2.3.3 弯曲刚度的简化30-31
• 2.3.4 弯曲止应力的计算31
• 2.3.5 弯曲切应力的计算31-33
• 2.4 夹层结构破坏模式分析33-38
• 2.4.1 面板屈服33-34
• 2.4.2 压入失效34-37
• 2.4.3 芯子失效37-38
• 2.5 小结38-40
• 3 夹层结构失效模式试验研究及与理论结果的对比分析40-56
• 3.1 引言40
• 3.2 不同跨距蜂窝夹层结构失效模式试验40-50
• 3.2.1 试验材料及试件准备40-41
• 3.2.2 试验设计41-43
• 3.2.3 试验结果及分析43-50
• 3.3 夹层结构失效模式的理论分析与试验结果对比50-54
• 3.3.1 构建以跨距为变量的失效模式图50-51
• 3.3.2 理论预测与试验结果的比较51-52
• 3.3.3 多参量条件下的失效模式图52-54
• 3.4 小结54-56
• 4 蜂窝夹层结构疲劳性能研究56-70
• 4.1 引言56-57
• 4.2 蜂窝夹层结构疲劳性能试验研究57-64
• 4.2.1 试验概况57-60
• 4.2.2 试件极限承载力测试60-61
• 4.2.3 试验结果及分析61-63
• 4.2.4 疲劳寿命曲线拟合63-64
• 4.3 基于刚度退化理论的寿命预测模型的探讨64-68
• 4.3.1 载荷控制模式下的模型推导64-66
• 4.3.2 铝蜂窝夹层结构的模型建立及讨论66-68
• 4.4 小结68-70
• 5 结论与展望70-72
• 5.1 结论70-71
• 5.2 展望71-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 个人简历77

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本文编号：760471