褶皱夹芯曲面壳结构的抗弯性能及振动特性研究

发布时间：2020-10-27 19:48

　　 飞机机身通常由壁板构成,但复合材料壁板具有成型工艺复杂、装配严格,质量不易保证等特点。为此,在小型飞机的机身结构中已采用了蜂窝、泡沫等夹芯结构,然而,封闭多孔芯子材料的冲击阻抗低,且易凝结水蒸汽,上述因素制约了其应用。褶皱夹芯板近期引起了学者们的关注,该结构具有高比弯曲模量、高比弯曲强度;内部流体通道可减少机身内冷凝水积聚,兼具降低机舱内噪音的作用,该夹芯板有望应用于构造大型飞机的机身结构中。本论文归纳和总结了褶皱结构的国内外研究现状,评述了褶皱结构的主要研究成果;基于顶点法的思想,对褶皱芯子曲面壳结构进行有限元建模并通过3D打印制备了试件,考查与分析了褶皱结构的在抵抗纵向弯曲载荷与横向弯曲载荷方面的力学性能及其失效模式,并对直线型波纹芯子和曲线型波纹芯子的曲面壳结构进行了对比研究。本文首先对褶皱夹芯曲面壳的建模过程与试件制备进行了研究探索,结合已有的三维折纸设计工艺,针对褶皱夹芯曲面壳结构,推导出了计算褶皱芯子各顶点坐标的几何公式,并探索出了一套结合ANSYS、MATLAB、SolidWorks与ABAQUS的有效建模方法,接着对比了目前主流的FDM(熔融沉积成型)工艺、SLA(光固化)工艺、SLS(选择性激光烧结)工艺等3D打印技术各自的优缺点,综合考虑,最终选择了断裂延展率更高的尼龙作为母材通过SLS工艺来制备实验试件。以褶皱芯子夹芯曲面壳结构为研究对象,从实验与有限元模拟两个方面对该结构的抗弯性能及其失效模式进行了研究。分别考虑了在受纵向弯曲载荷与横向弯曲载荷作用时,加载速率对褶皱芯子抗弯性能的影响。为了验证褶皱芯子结构的抗弯性能优越性,分别将褶皱芯子横向抗弯性能与纵向抗弯性能同与其相对密度近似的直线型波纹芯子和曲线型波纹芯子曲面壳结构进行比较。最后通过数值模拟的方法对褶皱芯子曲面壳结构的振动特性进行了研究分析,为了保证结果的有效性,将对曲面壳、波纹壳、波纹筒三种结构模拟所得前六阶固有频率与模态振型同文献进行了对比,接着在验证了有限元模拟方法有效准确的基础上,研究了褶皱芯子几何参数线线夹角和面面夹角对结构前四阶模态振型与频响曲线的影响。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V214
【部分图文】：

图 1-1 用于构建机身的树脂浸渍芳纶纸褶皱芯子结构示意图[8]图 1-2 褶皱芯子通过开孔通道原理[9] 褶皱结构的仿生学启示及其拓扑构型随着传统折纸技术地不断提高与改进，并受到自然界生物现象的启发，人们设了最初的褶皱夹芯结构。下面将首先介绍褶皱结构的几种生物学启示，然后引iura-ori 褶皱结构概念的提出过程，最后介绍了几种典型的褶皱结构几何拓扑

图 1-2 褶皱芯子通过开孔通道原理[9]仿生学启示及其拓扑构型技术地不断提高与改进，并受到自然界生物现象的夹芯结构。下面将首先介绍褶皱结构的几种生物学结构概念的提出过程，最后介绍了几种典型的褶皱的仿生学启示及其概念提出断进化过程中，为了生存动植物不得不进化出最适应残酷的外部环境。本文介绍的褶皱芯子结构示而提出，它并非由人们无依据空想出来的结构，然界中生物经过千百年的自然进化演变而来的一种得到。图 1-3 中列出了几种典型的与褶皱芯子结构到的几何构型。其中图 1-3b)所展示的角树叶片的

周期性 Miura-ori 纸 b）角树树叶 c）锯齿 Miura 薄膜 d）非稳态 Miura-ori 模式图 1-3 褶皱结构的生物学启示[10]前广泛的褶皱拓扑构型中，Miura-ori 折叠模式受到关注较为热烈，其应，它是由日本的一位科学家 Miura 教授通过结合日本古代传统的折纸技，图 1-4 中展示了这种褶皱结构的基本设计思路图[11,12]，它利用折纸的方要拉伸材料使其变形的条件下，将平板材料通过弯曲折叠成三维立体结这种 Miura-ori 弯曲折叠模式可以较好的避免在折痕处引起撕裂现象的不同时非常便于实际操作。图 1-4 平板转换成三维褶皱芯子的折叠方案示意图[11][12]Convex fold line Concave fold lineParallelogram
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本文编号：2858970