波纹强化复合型多孔材料的力学行为研究

发布时间：2021-01-20 19:09

　　近年来,轻质多孔材料以其优良的结构性能和多功能特性,成为众多学者和工程技术人员关注的热点。波纹结构,作为一种典型的棱柱型点阵多孔材料,其结构形式简单、易于加工和维护,且具有质量轻、强度/刚度高、抗撞击、有效散热等优点,故在航天航空、装甲防护、高速列车、舰船、深海潜水器、建筑及包装等领域得到了广泛应用,并具有进一步发展的潜质。但是,波纹结构亦存在如下问题:其力学性能的各向异性严重,易于发生屈曲失稳破坏,承载性能对初始缺陷比较敏感,且其能量吸收能力明显弱于泡沫和蜂窝材料。为进一步提高波纹结构的力学性能,本文基于材料混杂设计思想,提出泡沫填充波纹和蜂窝填充波纹两种波纹强化复合型多孔材料,通过理论、数值计算和实验研究了以其作为芯体的夹芯结构的综合力学性能,充分挖掘了这两种芯体结构的性能优势。本文主要工作包括以下几个方面:第2章基于弹性小变形假设下的细观力学模型,利用力平衡和能量等效原理,将泡沫-波纹复合多孔材料处理为正交各向异性均质材料,推导出相应的宏观等效热弹性常数,获得小变形下的热弹性本构关系,为后续深入研究泡沫-波纹复合夹芯结构的基本力学性能、结构行为响应及优化设计奠定理论基础。第3章通... 

【文章来源】：西安交通大学陕西省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：159 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 波纹结构
        1.2.1 波纹结构研究进展
        1.2.2 波纹结构优缺点
    1.3 材料混杂设计思想
    1.4 混杂复合型多孔材料的研究现状
        1.4.1 纤维增强泡沫混杂材料
        1.4.2 泡沫-点阵复合多孔材料
        1.4.3 其他混杂型多孔材料
    1.5 本文研究意义和框架
        1.5.1 研究意义
        1.5.2 本文框架
2 泡沫-波纹复合多孔材料的宏观等效热弹性常数
    2.1 引言
    2.2 均匀化理论
        2.2.1 非均匀介质均匀化
        2.2.2 小应变变形分析
    2.3 泡沫-波纹复合芯体的均匀化等效
        2.3.1 面内等效热弹性常数
        2.3.2 其他热弹性常数
        2.3.3 等效热膨胀系数
    2.4 本章小结
3 泡沫-波纹复合夹芯板的面外压缩行为研究
    3.1 引言
    3.2 问题描述
    3.3 有限元模拟
        3.3.1 材料本构描述
        3.3.2 有限元模型
        3.3.3 有限元计算与实验结果比较
    3.4 结果分析与讨论
        3.4.1 压缩响应分析
        3.4.2 强化机理
        3.4.3 参数影响
        3.4.4 破坏模式
        3.4.5 压缩性能比较
    3.5 本章小结
4 泡沫-波纹复合夹芯结构的横向剪切和三点弯曲性能研究及最小质量优化设计
    4.1 引言
    4.2 横向剪切
        4.2.1 剪切模量分析
        4.2.2 破坏模式分析
        4.2.3 数值验证
        4.2.4 结果分析与讨论
    4.3 三点弯曲
        4.3.1 结构刚度
        4.3.2 破坏模式分析
        4.3.3 最小质量优化和破坏模式图
        4.3.4 数值验证
    4.4 本章小结
5 泡沫-波纹复合夹芯梁在自重和端部力作用下的失效研究
    5.1 引言
    5.2 夹芯梁受轴向均布力和端部力共同作用下的稳定性
        5.2.1 剪切变形梁理论
        5.2.2 数值求解方法
        5.2.3 夹芯梁的等效剪切效应参数
        5.2.4 结果分析和讨论
    5.3 泡沫-波纹复合夹芯梁自重下受端部力作用的失效分析
        5.3.1 破坏模式分析
        5.3.2 结果分析和讨论
    5.4 本章小结
6 热环境中泡沫-波纹复合夹芯板的自由振动及屈曲分析
    6.1 引言
    6.2 理论模型
        6.2.1 广义位移场和变形关系
        6.2.2 本构关系
        6.2.3 初始热应力
        6.2.4 控制方程
        6.2.5 数值求解方法
    6.3 可靠性验证
        6.3.1 文献对比
        6.3.2 有限元计算验证
    6.4 结果分析与讨论
    6.5 本章小结
7 蜂窝-波纹复合夹芯板的面外压缩力学性能分析
    7.1 引言
    7.2 制备方法
    7.3 面外压缩实验
        7.3.1 实验试样及测试
        7.3.2 实验结果
    7.4 理论模型
        7.4.1 压缩弹性模量
        7.4.2 压缩强度
    7.5 有限元模型
    7.6 结果讨论
        7.6.1 初始破坏
        7.6.2 压溃过程
        7.6.3 不同几何参数和初始几何缺陷的影响
        7.6.4 压缩性能比较
    7.7 本章小结
8 结论与展望
    8.1 本文主要结论
    8.2 本文主要创新点
    8.3 下一步研究工作展望
致谢
参考文献
附录A：空心波纹板的面外压缩强度
附录B：Winkler 弹性基上的直杆屈曲
附录C：泡沫的等效 Winkler 弹性基模型
附录D：夹芯板的热载荷向量
附录E：夹芯板的各种刚度矩阵
攻读学位期间取得的研究成果


【参考文献】：
期刊论文
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[2]保温时间和钎焊温度对真空钎焊304不锈钢接头性能的影响[J]. 刘师田,杨凯珍.  热加工工艺. 2011(05)
[3]波纹夹层板自由振动的移动最小二乘无网格法[J]. 彭林欣,严世涛,杨绿峰.  广西大学学报(自然科学版). 2010(05)
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[7]X状Z-pin增强泡沫夹层结构的剪切性能[J]. 杜龙,矫桂琼,黄涛,赵龙,黄峰.  复合材料学报. 2007(06)
[8]超轻多孔金属材料的多功能特性及应用[J]. 卢天健,何德坪,陈常青,赵长颖,方岱宁,王晓林.  力学进展. 2006(04)
[9]瓦楞纸板包装材料的性能及其发展前景[J]. 高德,刘壮,董静,常江.  包装工程. 2005(01)
[10]结构隐身复合材料的发展与展望[J]. 邢丽英,张佐光.  材料工程. 2002(04)



本文编号：2989613