增材制造含流道微桁架夹层壁板热—力性能分析

发布时间：2017-10-24 02:20

  本文关键词：增材制造含流道微桁架夹层壁板热—力性能分析

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【摘要】：高超声速飞行器在服役过程中环境复杂,存在极为严重的热障问题；航空结构件对结构设计的性能及轻量化提出了更为严格的要求；因此研究具有承载与隔热多功能特性的一体化热防护系统尤为重要。近年来,国内外学者相继提出了各种构型,其中,桁架类夹芯结构以其优异的承载性能成为多功能设计的首选结构。然而,传统制备工艺的发展限制了结构的应用。本文研究基于多层微桁架夹芯结构的热防护结构的力学与隔热性能,并采用增材制造先进制造技术,制备了多层微桁架夹芯壁板和一种主动冷却和承载一体化的含流道微桁架夹层壁板式热防护结构；研究了微桁架夹芯壁板的力学性能,并采用实验方法和数值仿真技术研究了含流道的微桁架壁板的隔热和力学性能。具体研究内容和成果如下：(1)基于3D打印的多层微桁架夹芯结构的制备与力学性能表征。针对传统工艺制备多层桁架点阵夹芯结构难度大、缺陷多的问题,本文采用增材制造技术中FDM加工工艺,使用小型3D打印机制备了不同层数的微桁架夹芯结构,并对其进行了平压实验,测试结果表明：3D打印技术能够方便快捷地实现多层微桁架夹芯壁板的制备；同其他点阵夹芯结构相比,在压缩性能方面,多层桁架类夹芯结构具有较优的力学性能。同时,采用数值仿真的方法,通过分析施加了位移载荷以及周期性边界条件的夹芯结构单胞有限元模型,可以评估该结构的压缩模量值,并且数值结果略高于实验测试。(2)含流道微桁架夹层壁板热学性能评估方法。航空结构件对结构性能及轻量化具有严格要求,研究具有承载与隔热多功能特性的一体化热防护系统具有重要意义。针对航空结构件设计需求,本文提出了一种新型一体化主动热防护系统—含流道微桁架夹层壁板。该夹层壁板以多层微桁架为芯体,紧贴加热表面布置一排流道,具有承载与隔热双功能特性,可用于长时间中等热流密度条件下的热性能防护。对于该新型热防护结构隔热性能分析,本文详细探讨了该结构内部复杂的传热机理,并基于简化假设,提出了一种评估该结构隔热性能的解析模型,建立了该类新型一体化主动冷却热防护结构的隔热性能快速评估方法。通过与详细数值模拟结果的对比,验证了评估方法的有效性。该方法对于恒温载荷、温度线性变化以及恒定热流载荷工况均适用,为新结构的实际应用提供了理论基础。(3)含流道微桁架夹层壁板力学性能分析研究。由于新构型的承力特性对结构使用具有重要影响。为了评估其力学性能,本文采用等效法,将复杂的夹芯结构等效为一块正交各向异性均质板,采用渐近均匀化方法的新求解方法,借助商业软件ANSYS,获取均质板的等效刚度系数,该方法操作简便,计算效率高。通过讨论尺寸参数对结构刚度性能影响,发现流道为三角形截面的夹芯结构较椭圆形流道具有更优的承载性能,杆径夹角尺寸参数的改变对性能影响较小。同时,3D打印制备了不同壁厚的含流道微桁架夹层壁板,进行了平压实验,通过与其他点阵夹芯结构性能的对比,结果表明：含流道微桁架夹芯结构同样具有优异的承载性能。
【关键词】：桁架点阵夹芯结构 一体化热防护结构 热力性能分析 增材制造
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V244.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2 一体化热防护系统研究现状12-18
• 1.2.1 现有一体化热防护系统方案12-16
• 1.2.2 轻质桁架类点阵夹芯结构16-18
• 1.3 一体化热防护系统性能分析与优化设计18-20
• 1.4 本文主要研究内容20-22
• 2 3D打印的多层微桁架夹芯结构的制备与力学性能表征22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 多层微桁架夹芯结构平压实验22-28
• 2.2.1 实体材料的压缩弹性模量23-24
• 2.2.2 多层微桁架构型压缩弹性模量对比24-28
• 2.3 多层微桁架夹芯结构数值仿真分析28-30
• 2.4 小结30-32
• 3 含流道微桁架夹层壁板热性能评估方法32-50
• 3.1 含流道微桁架一体化新型热防护结构32-33
• 3.2 含流道微桁架夹层壁板隔热性能评估方法33-44
• 3.2.1 问题描述33-36
• 3.2.2 微桁架内部自然对流换热评估方法36-37
• 3.2.3 流道内强迫对流换热性能评估方法37-43
• 3.2.4 含流道微桁架夹芯结构整体隔热性能数值评估方法43-44
• 3.3 方法有效性验证44-49
• 3.3.1 微桁架内部自然对流换热的影响评估44-46
• 3.3.2 验证温度以及热流载荷工况下解析模型的正确性46-49
• 3.4 小结49-50
• 4 含流道微桁架夹层壁板力学性能评估方法50-61
• 4.1 引言50
• 4.2 刚度性能理论分析50-57
• 4.2.1 问题描述50-51
• 4.2.2 渐近均匀化方法的新求解方法(NIAH)51-54
• 4.2.3 含流道微桁架夹芯结构刚度性能评价54-55
• 4.2.4 尺寸参数对结构刚度性能的影响55-57
• 4.3 含流道微桁架夹层壁板平压实验57-59
• 4.4 小结59-61
• 结论与展望61-62
• 参考文献62-65
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况65-66
• 致谢66-67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：1086575