金属薄膜折纸结构的弹塑性后屈曲分析

发布时间：2020-12-22 13:43

　　由于近年来兴起的折纸结构的折叠方式和成型特点与工程中的许多结构成型方法极其相似,工程折纸技术越来越受到关注。随着科学技术的发展和工程需求的不断增加,折纸技术已成为当下研究的热点,各种新颖的折纸结构和折纸机构不断涌现,折纸材料的发展也是日新月异,并有从弹性材料向弹塑性材料扩展的趋势。本文以折纸技术为背景,基于大变形后屈曲理论,研究了弹性及弹塑性条件下不同梁结构的后屈曲行为,得出了力学参数、几何参数和荷载参数对结构形态的影响,从而实现对结构进行精确的调控,对指导工程实践具有重要的参考意义。本文给出了金属梁结构后屈曲的理论公式,并在此基础上研究了多级屈曲、复合材料屈曲以及设计了各种新颖的折纸结构。在弹性梁大变形后屈曲的基础上,引入塑性阶段,通过分析梁的长度、宽度、厚度等几何因素和弹性模量等力学因素对梁的屈曲的影响,定量给出金属梁在后屈曲过程中的形态变化。以此为指导,研究了许多特殊的梁结构。基于弹性大变形后屈曲理论,研究了梁的二级屈曲问题,并通过改变刚度比、宽度比和压缩位移比等因素来确定不同参数对二级屈曲最终形态的影响。对于沿横截面材料分布为“硬-软-硬-硬”的复合结构梁,通过计算等效刚度来确... 

【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：82 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

梁屈曲折纸结构

图 1.1 蜂窝结构成型过程[2]是通过折纸技术得到的具有一定功能的稳定的平面或空间体系。构取决于原本的几何形状和既定的折叠方式，一旦选定，其结果不是仅仅通过实验设计就能得到，还必须满足一定的数学原理[31, 一直以来，有些学者致力于设计各种各样的折纸结构，以满足更[1, 2, 33]、非正常变形机制的多尺度结构[34, 35]、高性能芯夹层结构[构[37-39]（如图 1.2 所示）等。

其中还涉及了光刻和平面加工技术，使得到的三维结构从基体上完整地脱离下来，如图1.3(a)所示。基体的图案和厚度可以通过不同的前处理参数（如紫外线曝光强度、曝光后烘烤时间）和控制紫外线曝光的光罩来调节。通过这种方法，可以得到独立网格结构和类孔雀结构，扫描电子显微镜图像(SEM)和有限元结果如图 1.3(b)所示。实验和有限元仿真的结果均表明，如果基体的刚度比上方三维结构的刚度大十倍以上，那么该结构将保持三维细观结构不变。具有足够大的弯曲刚度的基底在释放应变之后容易随三维细观结构发生变形。基体的弯曲变形主要是由于细观结构屈曲后残余应力的恢复，这一过程可以看作是一个二级屈曲过程。对这种二级屈曲现象的理解对于与该方法相关的加工参数的优化和设计至关重要。尽管存在许多关于薄膜结构后屈曲行为的理论模型[52, 73, 84-86]，但它们主要集中在压缩屈曲的单一过程，不能直接用于分析上述二级屈曲过程，这一过程涉及到从上部三维结构到基体的能量转换过程。图 1.3 独立三维介观结构成型示意图[80]1.2.3 弹性模量悬殊的复合梁的后屈曲在电子器件的设计和制备过程中，常常会用到杨氏模量相差好几个数量级的层叠材料，如储能设备[87]，柔性电子器件[88]，手机屏幕[89]，传感器[90]等。而对于这类结构的弯曲和后屈曲理论的研究非常匮乏

【参考文献】：
期刊论文
[1]叠梁的应力分析与实验[J]. 赵至善,张文荣,周雪峰.  重庆工学院学报(自然科学版). 2008(03)
[2]区间轨道结构双层叠合交叉梁系力学模型研究[J]. 岳渠德,姜福香,李向国.  铁道标准设计. 2002(12)



本文编号：2931863