仿生格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造與分析.pdf

1、復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料格柵夾芯結(jié)構(gòu)同屬于仿生結(jié)構(gòu)，在航空航天、運載及土木等多個工程領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。目前各種工程結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境日趨極端化，結(jié)構(gòu)功能多樣化需求也日益提升，這些都對結(jié)構(gòu)性能和可靠性提出了更高的要求。為此，本論文首先以樹葉組織的葉脈-夾層結(jié)構(gòu)為原型，提出格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)這一新構(gòu)型。并基于均勻化理論，分析格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的剛度和比剛度等參數(shù)，對格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)進行初步設(shè)計。針對該結(jié)構(gòu)制備過程中的多界面粘接問題

2、，本論文首先采用Kevlar短纖維進行多界面增韌并對其增韌效果及機理進行研究;其次通過三點彎曲實驗和面內(nèi)壓縮實驗對該結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行測量和表征;最后對該結(jié)構(gòu)在三點彎曲和面內(nèi)壓縮載荷下的力學(xué)行為進行數(shù)值分析，在實驗校驗的基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行參數(shù)化討論分析。該項研究內(nèi)容是工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室自主研究課題“具有格柵加筋鋁蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)界面破壞和增韌機理”（S13205，2013-2015年）和國家自然科學(xué)基金青年項目“

3、金屬泡沫夾芯復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的破壞機理和增韌研究”（11102032，2012年-2014年）的重要研究內(nèi)容之一。本論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1.格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的多界面增韌方法研究
　　格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)可以在保留蜂窩隔音、隔熱和抗震等功能的同時，有效地提升結(jié)構(gòu)的彎曲性能和壓縮性能。但由于原本的面-芯單一界面問題轉(zhuǎn)化為面-芯-芯多界面問題，加劇了整個結(jié)構(gòu)的界面問題的復(fù)雜性。為了保證格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢，必

4、須提高其界面性能，確保界面不會失效。作者首先在宏觀尺度下驗證了Kevlar短纖維界面增韌法對碳纖維鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的增韌效果;之后將Kevlar短纖維增韌方法由碳纖維鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的碳纖維-鋁蜂窩單一界面推廣到格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的碳纖維面板-鋁蜂窩界面、碳纖維面板-鋁格柵界面和鋁格柵-鋁蜂窩界面，進行多界面增韌。同時，采用掃描電鏡和光鏡等觀察手段，對界面進行微觀觀測，發(fā)現(xiàn)短纖維界面增韌可形成纖維橋聯(lián)結(jié)構(gòu)，并在連接區(qū)域形成“圓角”增強結(jié)構(gòu)

5、，揭示了Kevlar短纖維的界面增韌機理。
　　2.格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的實驗研究
　　為研究格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，作者對格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和格柵夾芯結(jié)構(gòu)開展了三點彎曲實驗和面內(nèi)壓縮實驗研究，通過實驗結(jié)果分析，比較了三類結(jié)構(gòu)的極限載荷、結(jié)構(gòu)破壞模式、臨界破壞載荷、能量吸收性能、比剛度等力學(xué)參數(shù)。三點彎曲實驗顯示，格柵增強鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的平均極限載荷、平均能量吸收性能和比剛度遠高于傳統(tǒng)鋁

6、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)或鋁格柵夾芯結(jié)構(gòu)。面內(nèi)壓縮實驗顯示，相比于傳統(tǒng)鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，格柵增強鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在面內(nèi)壓縮載荷作用下，平均極限載荷和比剛度大幅升高，但平均能量吸收性能提高幅度不明顯;相比于格柵夾芯結(jié)構(gòu)，格柵增強鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)平均極限載荷、平均能量吸收性能和比剛度均得到大幅升高。
　　3.格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析研究
　　格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)既具有優(yōu)良的力學(xué)性能，同時也可滿足多功能要求，因此是一種很有應(yīng)用前景的新型夾芯結(jié)

7、構(gòu)。為更好的指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析各設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)性能的影響，作者建立了格柵增強蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型。通過與實驗結(jié)果進行對比，驗證了該數(shù)值分析模型的有效性和準(zhǔn)確性。之后，采用此模型，對格柵增強鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化討論。結(jié)果顯示，對于格柵增強鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，改變芯體高度對整體結(jié)構(gòu)載荷響應(yīng)值的影響最為明顯，改變面板厚度次之，而改變蜂窩單胞壁厚的影響最小。
　　4.格柵在其他結(jié)構(gòu)中的增強效應(yīng)研究
　　為進一步研究和揭示格柵芯