泡沫夹层球壳低温压缩变形模式与承载性能分析

发布时间：2020-10-02 08:00

　　泡沫夹层结构通常是由金属面板和泡沫芯层胶粘而成,有比强度高、比刚度大、比模量高的特点,并能根据需要提供保温、隔热和降噪功能。此外,球壳结构的内部空间大,有较好的承载性能。因此被广泛应用于火箭、导弹和飞机的整流罩、燃料贮箱、压力容器以及深海探测设备等同时具有承载性能和特殊功能要求的零件。该类结构的承载能力、变形特点和吸能特性等是实际构件在复杂环境中服役性能高可靠性的制约因素。泡沫夹层球壳中异质多层材料的热物性和力学性能差异大,结构承载性能对结构尺寸、制造缺陷和服役条件非常敏感,尤其在深海和空天低温服役环境下容易导致结构层间热变形不协调,承载能力显著下降。另外,该类构件通常尺寸大、加工工序多、制造和试验成本高,因此迫切需要在结构设计和试制阶段,能准确预测其低温承载性能和受压变形模式。本文以泡沫夹层球壳为研究对象,从设计、制造和服役条件三个方面分析其压缩承载性能的影响规律。从设计角度,针对夹层结构失稳的几何敏感性,提出受压变形模式的判别准则,为泡沫夹层球壳的结构设计提供理论依据;针对低温服役环境,通过数值仿真获得低温载荷对结构受压变形模式和承载能力的影响规律;从制造角度,提出了考虑制造缺陷的泡沫夹层球壳实际构件低温受压变形行为的仿真预测方法,为满足服役性能的制造工艺提出控制目标。本文主要研究内容包括以下几个方面:(1)泡沫夹层球壳受压变形模式判别准则研究通过单层球壳和泡沫夹层球壳的压缩试验和仿真,观察结构变形行为,分析结构承载性能和受压变形模式的特点。以单层球壳受压变形理论解析为基础,建立了泡沫夹层球壳受压变形过程中泡沫密实—顺序承载—叠加效应全过程的理论解析模型。基于内外面板承载性能的对比分析,揭示了对应泡沫夹层球壳两种受压变形模式的物理机制,并建立受压变形模式的理论解析模型和判别准则。基于该准则获得了平台式和内凹式两种受压变形模式发生转变的内外面板厚度比临界条件,并建立了与材料和结构几何参数相关的受压变形模式临界厚度比定量计算模型,可实现泡沫夹层球壳受压变形模式的快速判断,为结构优化设计和轻量化提供理论依据。(2)低温环境对泡沫夹层球壳受压变形行为影响规律研究通过低温环境下力学试验,获得面板和芯层材料低温力学性能,建立泡沫夹层球壳低温受压变形过程热力耦合数值仿真模型,并与试验结果进行对比验证。对常温和低温环境下的泡沫夹层球壳压缩性能进行研究,分析不同低温环境形式对泡沫夹层球壳变形行为的影响。结合泡沫夹层球壳受压变形模式判别准则,分析低温变形对面板临界厚度比的影响。对比不同受压变形模式下结构承载力和变形量,揭示环境温度对结构承载性能和受压变形模式的影响规律和机理。(3)含有初始脱粘缺陷的泡沫夹层压缩过程数值建模方法研究针对实际构件制造过程中存在的初始脱粘缺陷现象,提出了单个和随机初始缺陷生成方法,通过提取面板/芯层接触节点集进行编程处理,设置不同大小和分布形式的单个初始脱粘缺陷,或根据不同初始脱粘面积比随机生成含有初始脱粘缺陷的粘接面,通过数值仿真分析结构承载能力对单个初始脱粘缺陷及整体脱粘面积比的敏感程度。为分析含有初始脱粘缺陷的实际零件建立起更可信高效的数值仿真建模方法。(4)实际构件低温承载性能和初始缺陷敏感性分析使用本文研究获得的热力耦合仿真技术和脱粘生成技术,分析常温和超低温环境下共底夹层构件的承载性能。进一步引入初始脱粘缺陷以及面/芯装配间隙,观察初始脱粘缺陷在承载过程中的临界扩展时刻、载荷大小以及扩展过程。获得结构对初始脱粘缺陷敏感的区域、对承载性能影响更明显的脱粘区域分布形式、单个脱粘区域临界面积尺寸和整体脱粘面积比临界值,用来指导胶粘工艺质量控制。同时获得整个结构上面/芯装配间隙对结构承载性能影响最大的区域,反馈到面板、芯层单个零件的加工质量控制上。从而实现对共底夹层构件制造工艺的指导。综上所述,本文针对低温环境下泡沫夹层球壳压缩承载性能问题,分析了低温环境对此类结构承载能力和受压变形模式的影响,揭示了改变结构受压变形模式的根本原因,建立了可考虑温度和初始脱粘缺陷的数值建模方法,并将其应用到实际构件性能评估中,实现对此类结构受载极限、失效时刻和危险区域的预测和设计制造要求反馈。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：V214;TJ760.1
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号表
缩略词表
第一章绪论
    1.1 课题研究背景、意义及来源
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究目的与意义
        1.1.3 课题来源
    1.2 夹层球壳结构承载性能的研究现状
        1.2.1 球壳结构承载性能研究
        1.2.2 泡沫夹层结构承载性能及变形模式研究
        1.2.3 环境温度对夹层结构承载性能的影响
        1.2.4 夹层结构脱粘失效的数值仿真研究进展
        1.2.5 研究现状总结
    1.3 本文主要研究内容
第二章常温下泡沫夹层球壳受压变形数值模拟
    2.1 引言
    2.2 球壳受压变形分析
    2.3 常温下泡沫夹层球壳压缩过程数值模型
        2.3.1 单层球壳压缩过程数值建模及验证
        2.3.2 夹层球壳压缩过程数值建模及验证
        2.3.3 数值模型样本设计
    2.4 常温下泡沫夹层球壳受压变形行为分析
        2.4.1 变形模式跳跃点变化
        2.4.2 承载性能分析
        2.4.3 顶点压缩量比较
        2.4.4 面板厚度比对承载性能影响
    2.5 本章小结
第三章泡沫夹层球壳受压变形模式判别准则研究
    3.1 引言
    3.2 单层球壳受压变形理论解析
        3.2.1 弹性变形阶段
        3.2.2 对称变形阶段
        3.2.3 非对称变形阶段
        3.2.4 单层球壳压缩行为理论解析验证
    3.3 单层球壳受压变形行为研究
        3.3.1 变形模式转换分析
        3.3.2 模式跳跃点与几何尺寸关系
        3.3.3 结构能量吸收预测
    3.4 泡沫夹层球壳受压变形行为理论解析
        3.4.1 内凹模式的理论解析及验证
        3.4.2 平台模式的理论解析及验证
        3.4.3 两种变形模式的判别准则
    3.5 受压变形模式面板临界厚度比分析
        3.5.1 结构几何参数影响
        3.5.2 内外面板材料参数影响
    3.6 本章小结
第四章低温环境下泡沫夹层球壳受压变形行为研究
    4.1 引言
    4.2 材料低温力学性能测试
        4.2.1 201 不锈钢
        4.2.2 PVC80 泡沫
    4.3 低温下泡沫夹层球壳压缩过程数值模拟
        4.3.1 热力耦合数值模型建模方法介绍
        4.3.2 泡沫夹层球壳低温压缩数值仿真模型验证
        4.3.3 数值模型样本设计
    4.4 泡沫夹层球壳低温环境压缩性能研究
        4.4.1 温度分布及热变形分析
        4.4.2 低温环境对变形模式的影响
        4.4.3 低温环境对压缩力影响
        4.4.4 受压变形量比较
    4.5 本章小结
第五章初始脱粘缺陷对泡沫夹层压缩性能的影响
    5.1 引言
    5.2 基于VCCT脱粘过程的数值仿真建模
        5.2.1 胶接失效临界应变能释放率测量
        5.2.2 VCCT脱粘数值模型的验证
    5.3 初始脱粘缺陷生成
        5.3.1 初始单个脱粘缺陷的设置
        5.3.2 随机初始脱粘缺陷的生成
    5.4 初始脱粘缺陷对夹层结构承载性能的影响
        5.4.1 初始单个缺陷影响
        5.4.2 初始脱粘面积比影响
    5.5 本章小结
第六章共底夹层承载性能及制造缺陷敏感性分析
    6.1 引言
    6.2 共底夹层构件基本介绍
        6.2.1 共底夹层几何结构
        6.2.2 面板及芯层材料性能
        6.2.3 共底夹层构件的服役要求
        6.2.4 共底夹层构件脱粘缺陷检测及失效情况
    6.3 共底夹层构件的数值模型
        6.3.1 几何对称模型建立
        6.3.2 热力耦合模型选择
        6.3.3 常温和超低温环境下共底夹层构件承载性能对比
    6.4 制造缺陷对共底夹层构件服役性能的影响
        6.4.1 初始脱粘形状和尺寸的影响
        6.4.2 初始脱粘总面积的影响
        6.4.3 制造偏差的影响
    6.5 共底夹层构件的结构设计
        6.5.1 设计方案介绍
        6.5.2 外面板温度及热应力分析
        6.5.3 脱粘扩展情况对比
    6.6 本章小结
第七章总结与展望
    7.1 主要研究成果与研究结论
    7.2 主要创新之处
    7.3 研究展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间论文发表情况

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