疏排圆形蜂窝层芯夹层板声振特性研究

发布时间：2020-06-11 07:55

【摘要】：由多种复合材料加工而成的蜂窝夹层板结构,具有较高的比强度、比刚度特性。通过选取适当的面板和夹芯材料,蜂窝夹层板结构可以充分发挥出其优良的承受拉伸、压缩以及弯曲载荷的能力;另外,蜂窝夹层板结构还具有良好的吸声、绝热性能。在常用的蜂窝夹层板结构中,由于正六边形蜂窝孔腔中都充满密封的空气,所以夹芯层实体部分所占夹芯层的总体积较小,这种特殊的结构构型使得蜂窝夹层板具有良好的隔热、隔音性能。正因为这些特殊的性能,蜂窝夹层板结构被广泛应用于航空、航天、汽车以及船舶等行业里。蜂窝夹层板夹芯胞元形状以及总体结构尺寸变化,都会影响到其整体的力学、隔音及隔热性能,因此十分有必要对不同种类的蜂窝夹层板结构进行相关探索。本文主要针对疏排圆形蜂窝层芯夹层板这一特殊构型结构的等效弹性力学参数、固有频率、振动和传声损失方面展开了研究。首先,建立疏排圆形蜂窝夹层板层芯的理论模型,将圆形胞元夹芯层单独进行研究,对夹芯板各个胞元间接触方式和受力特点,通过合理化假设分析,得到夹芯层结构的等效模型,同时对等效模型进行力学分析计算,计算出等效模型的力学参数,并通过ANSYS有限元分析软件建模、仿真计算,与等效模型弹性力学参数的理论结果进行对比分析,验证了该创新性等效研究方法的有效性。其次,采用Reissner夹层板理论,边界条件设置为四边简支,建立该结构的振动控制理论模型,并利用Matlab数值分析软件进行圆形蜂窝夹层板固有频率计算,计算出该蜂窝夹层板结构的前十阶固有频率理论值。同时,利用CATIA三维建模软件,建立了同尺寸蜂窝夹层板几何模型,导入ANSA软件进行前处理,再导入ABAQUS有限元分析软件进行结构的振动模态模拟仿真,通过理论计算与仿真结果对比,验证了该振动理论模型的合理性。重点探讨了疏排圆形蜂窝夹层板结构参数对整体夹层板固有频率的影响。另外,分析了疏排圆形蜂窝层芯夹层板结构的传声损失。利用声学基础和声波传播规律,进行疏排圆形蜂窝层芯夹层板结构入射和辐射声压声功率的计算。在声波垂直入射的条件下,建立了蜂窝夹层板结构的传声损失理论模型。基于上述理论模型,对本文疏排圆形蜂窝层芯夹层板的传声损失进行Matlab编程计算,进而得到了给定材料、结构参数、尺寸大小后蜂窝结构的传声损失曲线图,紧接着分别研究了该蜂窝结构面板厚度、夹芯层高度、圆形胞元半径和壁厚对整体蜂窝夹层板传声损失的影响规律。利用COMSOL中的声-固耦合分析模块,对相关文献中正六边形蜂窝夹层板进行建模、仿真计算,得到了与该文献一致的结果,继续针对本文中的疏排圆形蜂窝夹层板结构进行建模和声学仿真计算。最后,制作疏排圆形蜂窝层芯夹层板的实验试件,利用阻抗管法对试件进行了隔声性能实验。通过COMSOL多物理场耦合仿真与阻抗管实验测试的方法,得到不同入射声波频率下该种构型蜂窝夹层板结构传声损失的基本变化规律。
【图文】：

蜂窝夹层结构,正六边形,蜂窝夹层板

在人类伟大的科学文化发展进程中，科学家们的许多科研成就均来源于丰富多彩的大自然，蜂窝夹层板结构亦由此而来。在整个生物进化中，随着不断地适应各种恶劣复杂环境能力的提升，自然赋予了蜜蜂天生的筑巢本领。经人们仔细观察发现，蜜蜂所搭建的蜂窝出奇的一致，一致性主要表现在蜂窝由无数个顶部形状相同的正六边形蜂窝孔紧密排列组成，蜂窝的根部均是由三个钝角角度为109°，锐角角度为 70°的菱形围成。自然造就了这一奇特的现象。基于对仿生学的研究，人们开始尝试将蜂窝结构运用到工程实际中。在第二次世界大战期间，蜂窝夹层板能够极大地减轻了飞机的重量、增强飞机灵活性和提高了飞机的载荷，因此该结构得到了快速发展。在当下新型复合材料的不断开发，由复合材料制造的蜂窝夹层板结构在航空航天领域内应用更加广泛，蜂窝夹层板结构常被用来制作各种飞行器零部件，小到舱内地板、隔声板、隔热罩、航空发动机护罩，，大到飞机机身机翼、卫星壳体、火箭推进剂储存箱等，一般正六边形蜂窝夹层板结构构型如图 1-1 所示：

分布情况,先进复合材料,飞机,分布情况

航材料标准的直九用高性能的 Nomex 蜂窝结构。紧接着，北京航空材料研究所研究员王玉瑛[2]等人研制出了新一代蜂窝结构，具备更加优良的力学性能。方大集团股份有限公司的郭建明等[3]研究了 3 种不同生产工艺复合出的蜂窝铝板，并对影响蜂窝铝板的剥离强度因素进行研究，最后得出用优质热塑胶膜连续复合加工生产的蜂窝铝板剥落强度最大。最近几年，几个高等院校的硕士研究生也针对金属材料制成的蜂窝夹层板结构进行了相关研究: 昆明理工大学硕士生李东田[4]对铝蜂窝板的钎焊技术以及蜂窝芯的辊压+冲压成形工艺进行了研究，最后还通过自制装置对钎焊后的铝蜂窝板结构进行了剪切性能测试，研究了结构剪切屈服强度、剪切强度以及剪切变形之间的互相影响关系；哈尔滨尔工业大学硕士生黄麟[5]用两种钎料焊接飞机蒙皮的镍基高温蜂窝构件，并对关键位置处进行了力学性能测试，满足工程实际要求。大连交通大学硕士生石琳[6]，对镁合金蜂窝板和镁-铝蜂窝板的制备工艺以及力学性能方面进行了相关研究；随着各种新型先进复合材料在飞机上应用比例不断增大如图 1-2 所示，人们对复合材料蜂窝夹层板结构的制备以及蜂窝夹芯成型技术也提出越来越高的要求。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V214.6

【参考文献】