层级多孔结构的力学及断裂性能研究

发布时间：2021-08-14 07:59

　　把分层分级的概念引入到结构中可以显著改善其力学性能,如:刚度、强度、断裂韧性等。因此很多学者们专注于研究将分级的概念引入到多孔材料的结构设计中,希望通过结构的分级分层提升材料的性能。但是文献中大部分常见的分级蜂窝结构的子结构都是规则的,如正六边形、正方形、三角形等。很少有人研究随机不规则的子结构,所以本文提出了一种具有不规则Voronoi子结构的分级蜂窝结构,并通过有限元的方法研究分级对其弹性力学性能和断裂韧性的影响。本文介绍了分级蜂窝面内平面应力条件下弹性性能（有效的弹性模量Eeffect和泊松比v）的有限元分析方法,包括代表性体单元RVE和周期性边界条件PBC的概念和应用。并逐一系统地分析了分级蜂窝的几个重要参数（规则度,相对密度,一级结构细长比,分级长度比）对其面内弹性性能的影响。接着讨论了面内弹性性能从平面应力条件向平面应变条件转化的方法和结果,发现在相同相对密度条件下,最优随机子结构的分级蜂窝的有效弹性模量比一阶规则的六边形蜂窝的高300%;Voronoi结构的不规则程度对弹性模量和泊松比的影响并不显著;无量纲的弹性模量和泊松比都随相对密度的减小而减小;一级结构的细长比对弹性... 

【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

(a)杨木木材的扫描电镜图像

其四种典型结构如图1-2 所示。图 1-2-a 和图 1-2-b 显示的泡沫结构最为常见，他们都是由多种不规则的空心多面体在空间堆砌而成的。但是区别在于图 1-2-a 所示的开孔泡沫的整体结构是由棱边组成的，各个孔穴是相互连通的，而闭孔泡沫（图 1-2-b）的整体结构是由棱边和胞壁组成的，其各个孔穴是封闭的。图 1-2-c 显示的点阵结构是在三维空间中节点和连接节点的杆件共同构成的。图 1-2-d 展示的是结构最简单的六边形蜂窝结构。与传统的致密材料相比，多孔材料有许多优点[10-14]，如：其密度很小，相对密度（宏观材料的密度与孔壁材料的密度的比值）可以小到 0.01，因此可以大大降低结构的重量；多孔材料具备许多优异特性以及相对应的多功能用途，利用其良好的减震、能量吸收性能可以作为飞机的着陆架和汽车冲击区域的高吸能部件

第 1 章 绪论4图1-3 层级多孔材料的比强度与分层级数之间的关系[2]：(a)六边形蜂窝；(b)开孔泡沫1.2 研究现状蜂窝作为一种典型的低密度多孔固体，由于其几何形状在其轴向反向上没有变化，所以可以在二维（2D）空间中分析其性能。蜂窝可以用来理解其他复杂三维（3D）多孔结构（如泡沫）的极限性能。所以目前大多数对多孔材料性能的研究都是从蜂窝结构入手的。和其他多孔固体一样，蜂窝具有较低的相对密度、较高的强度质量比和优异的能量吸收性能。其主要用于轻质夹层板结构的夹芯层[15-18]，夹层板一般是由两侧的面板和中间的较疏松或者较轻的夹芯层构成。因为芯层的相对密度很低，所以，整体结构的质量大大减小。并且由于芯层的存在，夹层结构的抗弯性能得到了显著改善，具有较高的比刚度和比强度。因此这种结构已经在许多领域得到了广泛的应用，例如在航空航天、航海、汽车工业等领域。除了特有的低密度以及优异的力学性能


本文编号：3342092