功能型多孔夹层板的等效弹性常数研究

基于应变能等效原理,将功能型多孔夹层板的夹芯层等效为均匀的各向异性材料,并通过考虑夹芯层的面内剪切作用,即将构成代表体单元的基元杆件考虑为Timoshenko梁,建立Timoshenko梁单元的应变和宏观应变之间的关系,得到等效固体代表体单元的应变能密度与宏观应变的关系,从而,给出相应的宏观等效弹性常数。最后,通过有限元方法计算实际正方形蜂窝夹层板和等效夹层板的结构响应和低阶振动频率,验证该方法的有效性,对比分析得知该方法较原方法具有更高的精度,说明考虑面内剪切作用的必要性。     

考虑尺寸效应的夹芯结构拓扑优化设计

文章研究了夹芯结构中周期性单胞构型设计时尺寸效应。以夹层板的宏观响应为目标函数,将夹层板的上、下面板作为非设计域,在满足给定的体积约束情况下,采用变量关联技术和凸规划对偶优化算法设计不同尺寸的三维夹芯表征体胞构型。最后,根据优化结果深入分析并探讨了单胞尺寸和材料用量对夹芯结构构型设计的影响。     

金字塔点阵夹芯结构的精细优化设计

在本文中,为了提高金字塔点阵夹芯结构的整体等效剪切强度,提出了基于芯子和面芯界面性能协调的精细优化设计思想,并对面外剪切载荷作用下的金字塔点阵夹芯结构进行了优化设计.理论分析结果表明:基于精细优化设计思想的金字塔点阵夹芯结构中,由于综合考虑了芯子强度与面芯界面强度之间的性能协调,尽管会一定程度上降低了金字塔芯子的等效剪切刚度和等效剪切强度,但由于提高了面芯界面等效剪切强度,最终提高了夹芯结构的整体等效强度.     

含面\芯开裂损伤复合材料夹层板的自由振动

基于Zig Zag变形假定和Mindlin一阶剪切理论,提出了具有面板和芯体开裂损伤复合材料夹层板自由振动的有限元分析方法。为了更好地反映夹层板截面变形的齿形特征,分别对上、下面板和芯体建立了3个独立坐标系,并定义三部分的转角为独立变量;同时又针对面\芯开裂特征,将整个结构视为上、下子板和基板三部分。根据开裂前缘位移连续条件,建立了复合材料夹层板面\芯开裂损伤分析模型。在此变形假定和损伤模型基础上,推导了含损伤复合材料夹层板各部分的刚度阵和质量阵列式,并采用子空间迭代法求解了夹层板的固有频率。通过参数讨论得出:大面积的开裂损伤会使结构频率急剧降低;面积相同而形状不同的开裂损伤对夹层板的各阶固有频率的影响不同;适当的面板铺设方式将会提高结构的固有频率;提高面板的厚度可大幅度提高夹层板的各阶固有频率。     

纤维柱增强泡沫夹芯的等效力学性能研究

纤维柱增强泡沫夹芯结构是沿厚度方向在泡沫中植入纤维柱,以提高泡沫夹芯结构的抗压性能、抗剪切性能和抗弯曲性能.根据纤维柱增强泡沫夹芯结构的这一特点,通过建立细观力学模型,并结合修正的Mori-Tanaka方法预报纤维柱增强泡沫芯材的法向弹性模量和横向剪切模量.实验结果验证了该方法预报结果的准确性.利用该模型进一步探讨了纤维柱增强泡沫夹芯结构参数对芯子等效性能的影响.结果表明,纤维柱内纤维体积的变化对结构的法向弹性模量影响较大,对横向性能影响不大;纤维柱直径增大芯子法向比刚度也增大,但芯子的横向比剪切刚度反而降低.     

缝纫泡沫芯夹层结构低速冲击损伤分析

在缝纫复合材料泡沫芯夹层结构低速冲击试验研究基础上,文章开展了低速冲击损伤数值分析。首先利用有限元软件分别对未缝纫和缝纫的复合材料泡沫芯夹层结构低速冲击下的损伤面积进行了数值估算,发现两者的上面板损伤面积均大于下面板的损伤面积,但两者的主要损伤模式不同,未缝纫夹层结构的主要损伤模式为上面板损伤,而缝纫夹层结构主要以泡沫芯材压碎损伤破坏为主。有限元计算结果与试验结果吻合较好,证明文中所建立模型的正确性。随后模拟计算了冲击能量、上面板厚度、泡沫芯材厚度、缝纫密度、落锤冲击位置等五个因素变化对缝纫泡沫芯复合材料夹层结构损伤面积的影响,并进行了相关的理论分析。     

以复合材料层合板为面板的夹层板皱屈计算

为分析复合材料夹层板面板的皱屈特性,本文首先讨论了弹性基础上反对称正交铺设层合板的稳定性计算。然后通过假定夹芯的位移模式,使夹芯的变形能与一等效弹簧系统变形能相等,求得夹芯的等效基础系数。最后,提出了一个对称皱屈载荷的计算公式。     

缝合复合材料泡沫夹层结构侧压剪切力学性能试验研究

选用3种相同材料制造的夹层结构形式未缝合、锁式缝合和达夫汀缝合复合材料泡沫芯夹层结构,进行了侧压和剪切实验,研究了缝合方法对缝合夹层结构力学性能和破坏模式的影响.试验数据和观察结果表明,泡沫夹层结构缝合后较未缝合在侧压和剪切的强度刚度均得到了极大提高.而不同的缝合方法对结构强度和模量改变是不同的.达夫汀缝合方法在提高剪切强度和模量优于锁式缝合,但在提高侧压刚强度上和锁式缝合相差不大.     

考虑粘刚度时夹层板的振动频率

对简支边界条件下以正交铺设层板为面板的复合材料夹层板的横向振动进行了求解，在求解中包括了面板的耦合刚度和面板与夹芯间的粘结刚度，计算结果表明，当粘结刚度超过某一值时，可以认为面板与夹芯粘结完好，但当小于这个值时，粘结刚度对自振率会产生很大的影响，影响程度与面板铺层，夹芯性质，板的长宽比及振动模态腾，作为一个特例，对正交铺设层板中间一个层间界面存在滑移时其振动频率的变化进行了讨论。     

单轴压缩载荷下夹层梁结构屈曲及皱曲模拟研究

泡沫夹层结构以其较高的比刚度及比强度特性在航空航天等领域具有巨大的应用潜力,但当夹层结构作为主承力部件承压时可能带来复杂的屈曲及皱曲稳定性问题.文章基于有限元分析软件Ansys,建立了铝面板泡沫夹层梁结构的二维有限元模型,研究了夹层梁结构在单轴压缩载荷下结构临界失稳载荷与屈曲失效模态的内在关系,并分析了芯材厚度、芯材弹性模量等参数对夹层结构稳定性的影响规律.研究结果表明:芯材-面板的厚度比及弹性模量比对夹层结构的屈曲失效模态具有决定性作用,增加芯材厚度及选用较高弹性模量的芯材,可有效提高泡沫夹层结构的临界失稳载荷,文中研究结果可为泡沫夹层结构的优化设计及工程应用提供理论依据.     

考虑粘结刚度时夹层板的振动频率

对简支边界条件下以正交铺设层板为面板的复合材料夹层板的横向振动进行了求解，在求解中包括了面板的耦合刚度和面板与夹芯间的粘结刚度．计算结果表明，当粘结刚度超过某一值时，可以认为面板与夹芯粘结完好，但当小于这个值时，粘结刚度对自振频率会产生很大的影响，影响程度与面板铺层、夹芯性质、板的长宽比及振动模态有关．作为一个特例，对正交铺设层板中间一个层间界面存在滑移时其振动频率的变化进行了讨论．     

蜂窝夹层结构等效弹性常数的多步三维均匀化数值计算分析

基于三维均匀化方法并结合有限元技术,计算三维蜂窝夹层板的等效弹性常数。首先把三维蜂窝夹芯看成由实体与空洞两相材料组成的复合材料结构,建立单胞有限元模型,计算宏观等效弹性常数,通过与其它计算方法相比较,验证了三维均匀化方法的有效性;在此基础上考虑上下面板,运用直接、二次及多步均匀化方法计算三维蜂窝夹层板的整体等效弹性常数,并与工程计算方法比较,结果表明三维均匀化方法的可靠性。     

Zn-22Al泡沫夹芯复合板的三点弯曲性能

以Zn-22Al(ZA22)基泡沫材料为芯材,LY12铝板为面板制备了泡沫夹芯复合板。研究了泡沫夹芯复合板的三点弯曲行为,观察了复合板的破坏模式,分析了复合板弯曲性能的影响因素,运用层合梁刚度优化理论探讨了其机理。研究结果表明,ZA22泡沫夹芯复合板的三点弯曲载荷-位移曲线可按线性段、非线性段和失稳段表示其特征;其弯曲极限载荷随孔隙率的增大而减小,并且泡沫夹芯复合板表现出明显的层合效果。三点弯曲载荷作用下,泡沫夹芯复合板的主要失效模式为芯材的剪切破坏。     

基于Hoff理论的金属复合屋面板夹层壳单元

针对大跨度建筑屋盖结构常用的聚氨酯泡沫夹芯金属复合屋面板,根据修正后的Hoff型夹层板理论,建立简便、有效的八结点矩形夹层壳单元.以一块矩形屋面板为例,分别采用分层实体单元、夹层体单元和八结点矩形夹层壳单元模拟.数值结果显示,八结点矩形夹层壳单元模拟的屋面板在静荷载作用下的变形形式与精细的分层实体单元模型相同,且两者变形基本接近;基本振型与精细的分层实体单元模型相同,自振频率较接近.表明采用该夹层壳单元能够有效地模拟聚氨酯夹芯金属复合屋面板的静、动力特性.     

玻璃纤维增强水泥夹层板(TK夹层板)试验研究

试验对TK夹层板进行了弯曲、冲击和环境影响三种力学试验。试验用的六块TK夹层板是用等厚的中碱玻纤短石棉低碱度水泥平板(TK板)作面板,中间夹着用与面板同样材料或薄壁轻钢制成的龙骨构成。该TK面板和龙骨成份为81.1%水泥、14.6%短石棉,2.7%纸浆和     

复合材料波纹夹层结构弯曲性能研究

为研究不同芯层结构弯曲性能,对芯板结构为矩形、梯形、三角形和余弦形的复合材料波纹板进行三点弯曲试验,利用ABAQUS仿真软件对复合材料夹层结构进行试验仿真.仿真结果表明在相同尺寸、厚度和晶格数目条件下,夹层结构芯层和下面板首先发生破坏.通过对不同芯层弯曲刚度计算可知,矩形芯板弯曲刚度较高.     

外压作用深海夹层管复合结构屈曲失稳分析

为研究深海夹层管在高静水压力作用下的屈曲失稳性能,运用有限元软件ABAQUS建立夹层管复合结构在外压作用下的数值模型,通过广泛的参数化分析,系统地阐述了外管初始几何缺陷、内外管径厚比、夹芯层厚度和材料特性、钢管屈服强度和应变硬化特性等因素对夹层管屈曲失稳的影响机理.结果表明:与单层管相比,外管初始几何缺陷对夹层管屈曲失稳压力影响较小,外管径厚比越大,夹层管屈曲失稳压力越小,屈曲失稳前的变形能力越强;内管径厚比越大,夹层管屈曲失稳压力也越小,但屈曲失稳前的变形能力却越弱;夹芯层厚度、夹芯层及内外管材料特性对夹层管屈曲失稳性能影响较为显著.     

基于序列二次规划算法的点阵夹芯结构优化设计

为了研究夹芯单胞变化对结构承载能力的影响,建立了点阵夹芯结构的优化设计模型,以结构刚度最大为目标函数,考虑体积约束及单胞尺寸约束对夹芯单胞尺寸分布进行优化设计,并以四面体单胞夹芯结构的优化设计为例进行详细方法说明。采用序列二次规划法求解优化模型,完成了以结构刚度最大为目标的井字梁夹芯结构的优化设计,验证了模型、方法及优化效果。     

岩棉夹芯屋面板对屋盖结构风振效应的影响

为了探究常用岩棉夹芯复合屋面板的有限刚度和阻尼性能对大跨度结构风振效应的影响机理,基于已有材性试验数据开展该类屋面板的有限元分析.利用模态应变能法进行分析发现,典型檩距屋面板各阶模态均呈现出高阻尼特征并显著降低脉动风幅值.屋面板的有限刚度则会放大风压脉动分量并将能量集中到屋面板的基频附近.屋面板性能对屋盖主体结构风振效应的影响同屋面板与主体结构间的振动协调性、屋面板有限刚度对脉动风压的放大效应以及岩棉夹芯层的阻尼3方面因素密切相关.对于基频较低(2.23Hz)或中等(5.0 Hz)的主体结构,无屋面板风振计算模型会高估风振效应;当基频较高(7.5Hz)时,该影响较小且可以忽略.     

纤维针刺轻量化热防护结构力学性能研究

本文以高超飞行器针刺轻量化热防护结构为研究对象,基于数值仿真方法,通过编写针刺纤维束、编织复合材料面板以及气凝胶夹芯材料的损伤与失效分析的UMAT子程序,研究了该热防护结构在典型面外拉伸、压缩荷载下的失效行为,同时本文开展了该针刺轻量化热防护结构在典型机械荷载下力学性能的实验测试工作,数值仿真结果与热防护结构试验件的面外拉伸、面外压缩、层间剪切实验结果吻合较好.