基于夹层板理论的圆形孔蜂窝结构隔声量研究

蜂窝夹层结构广泛应用于航空航天、船舶、高速列车等交通工具领域。基于三明治等效理论建立了圆形蜂窝结构层芯的等效剪切参数,从而得到简支边界条件下的圆形孔蜂窝夹层板的声振耦合振动模型及传声损失,并在仿真中数值验证了理论模型的正确性。同时基于理论计算,分析了圆形孔蜂窝结构中的层芯胞元半径、层芯壁厚和结构材料对隔声量的影响。由分析可知:层芯半径小、壁厚薄的钢材圆形蜂窝结构具有更好的隔声性能。     

四边简支新型类方形蜂窝夹层结构振动特性研究

新型类方形蜂窝是六边形蜂窝的一种过渡形式,对其等效弹性参数和振动特性的研究具有重要意义。采用改进的Gibson公式对比分析了双壁厚与等壁厚类方形蜂窝夹芯的面内等效弹性参数的差异,并应用经典层合板理论分析了不同等效弹性参数下2种壁厚类型的四边简支类方形蜂窝夹层结构的振动特性,基于有限元仿真技术分析了不同壁厚类方形蜂窝夹层结构的振动特性,并与理论分析结果进行对比。结果表明等效弹性参数的数值模拟结果与理论值基本吻合。在蜂窝基本结构参数相同的条件下,双壁厚类方形蜂窝夹芯的面内等效剪切模量、面外刚度和等效密度均比等壁厚类方形蜂窝夹芯大;在低阶振动模态下,双壁厚类方形蜂窝夹层结构的固有频率比等壁厚类方形蜂窝夹层结构的低,在高阶振动模态下,双壁厚类方形蜂窝夹层结构的固有频率比等壁厚类方形蜂窝夹层结构的高;影响夹层结构固有频率的3个主要因素所占权重由大到小依次为蜂窝夹芯yoz面等效剪切模量、蜂窝夹芯等效密度,蜂窝夹芯壁厚。研究结果表明采用经典层结构理论计算得到类方形蜂窝夹层结构的固有频率与数值仿真结果的一致性较好,这进一步证明了采用改进Gibson公式得到的类方形蜂窝夹芯等效弹性参数的正确性,同时证明了将该振动理论运用到一般蜂窝夹层结构研究的可行性,为扩展研究其他类型蜂窝夹层结构振动特性奠定了基础。     

蜂窝夹芯板的热学与力学特性分析

采用细观力学的分析方法, 从蜂窝夹芯复合材料板中选取代表性的细观胞元, 应用周期性条件、三维有限元方法分析了细观胞元的温度场和应力场, 计算得到宏观热学与力学参数, 还考虑了蜂窝芯内部的辐射换热, 讨论了蜂窝芯对夹芯板宏观导热系数、刚度及热膨胀系数的影响。结果表明: 沿厚度方向导热系数与传统算法比较有较大差异, 刚度参数除D₁₂外都可以由传统公式近似, 而计算热膨胀系数时不能忽略芯层热膨胀的影响。      

蜂窝芯横向面内压缩平台应力研究

目的考虑到蜂窝芯斜向孔壁发生折叠的能量耗散机制,建立基于孔壁折叠的平台应力表达式。方法首先从理论上分析蜂窝芯变形单元水平固定塑性铰的能量耗散情况,然后对不同厚跨比条件下的蜂窝纸芯进行横向面内压缩试验,得到平台应力,最后将试验结果与Gibson&Ashby模型以及文中模型进行对比。结果蜂窝胞壁厚度与蜂窝胞元边长之比对平台应力有一定的影响,蜂窝芯面内压缩平台应力与胞壁厚度和蜂窝胞元边长之比的平方呈正比关系。由对比结果可知,文中模型理论值与平台应力试验值更加吻合。结论揭示了蜂窝芯横向面内压缩的能量耗散机制,平台应力表达式可用于多种材料的双壁厚蜂窝面内压缩力学性能的评估,具有一定的普适性。     

蜂窝夹层复合材料不确定性参数识别方法

提出蜂窝夹层复合材料不确定性参数识别方法。采用三明治夹芯板理论建立铝蜂窝夹层结构的初始有限元模型,其中芯层等效弹性参数由均匀化方法计算。据芯层结构及相对灵敏度分析选存在不确定性且对动态特性敏感性较大的面外剪切模量及面板厚度为待识别参数。对6块铝蜂窝复合材料板进行自由-自由边界条件下动态试验,获得试验模态参数的均值及标准差。据试验结果采用所提方法识别铝蜂窝夹层板不确定性参数。结果表明,对存在不确定性参数的铝蜂窝夹层复合材料用该方法能准确识别铝蜂窝夹层板不确定参数的均值及标准差。并建立具有准确统计意义的动力学模型。     

蜂窝芯层创新结构及成型性

目的设计一款增强型蜂窝芯层创新结构。方法通过平板粘合尺寸决定新增芯层在六边形蜂窝胞元中的形状,选取直线肋板结构为研究对象,对比创新结构与常规结构的面外承载性能,在现有蜂窝芯层加工工艺的基础上,对此蜂窝芯层的成型工艺及参数进行分析研究。结果新结构可实现平板状粘合,当胞元内粘合尺寸为胞元边长的0.625倍时,在蜂窝孔内形成直线肋板结构,分布均匀,创新结构比常规结构的平台应力提高了315.74%,同时针对该结构改进设计了半自动及全自动粘合工艺方法。结论创新结构科学稳定,承载性能得到显著提高,芯层粘合工艺改动小,能为扩充夹层板材结构及成型工艺提供参考。     

倾斜胞壁Nomex蜂窝芯压剪复合力学响应

成形具有一定曲率的夹层结构时,需要将蜂窝芯铣削成曲面形状,造成蜂窝胞壁呈一定倾角,进而降低蜂窝夹芯结构面外承载能力。为了定量化分析面外载荷作用下倾斜胞壁蜂窝芯的力学性能,建立了倾斜胞壁蜂窝芯面外压剪复合有限元模型,并通过设计专用Arcan夹具实现蜂窝芯的面外压剪复合加载,用于验证模型的有效性。对比仿真与实验结果,发现蜂窝芯压剪响应及胞壁变形模式吻合较好。利用验证的有限元模型对胞壁倾角范围为0°～40°的蜂窝芯在面外压剪复合载荷下的力学响应进行了研究,结果表明随着蜂窝胞壁倾角的增大,蜂窝芯面外承载能力逐渐降低;当胞壁倾斜角由0°增加到40°,初始应力峰值下降最大幅度为47.7%,平原阶段强度下降幅度为29%;进一步分析了倾斜胞壁蜂窝芯截面芯格尺寸与胞壁倾角的几何关系,将倾斜胞壁蜂窝芯等效为具有相同截面尺寸的垂直胞壁蜂窝芯,推导了倾斜胞壁蜂窝芯在面外压缩及剪切载荷作用下的坍塌强度,揭示了胞壁倾角对蜂窝芯坍塌强度影响机制。     

圆柱形胞元蜂窝夹芯板梁理论的研究

为了研究蜂窝夹芯板梁受压塌陷的原因, 建立了圆柱形胞元蜂窝夹芯胞元壳的轴向受压理论分析模型, 推导了圆柱形胞元蜂窝夹芯板梁临界压应力的计算公式, 提出了一种全新的迭代优化设计方法, 给出了一套较完整的分析设计理论。通过用3D 有限元数值模拟技术, 对铝质圆柱形蜂窝胞元壳进行模拟, 结果与公式的计算值吻合较好。该研究对进一步完善蜂窝夹芯板梁理论提供依据。      

铝蜂窝胞元结构参数对其宏观等效表征性能的影响

将均匀化理论与有限元方法相结合,建立了预测铝蜂窝宏观等效特征参数的细观力学模型,研究铝蜂窝胞元结构参数对其宏观等效表征性能的影响,并采用MATLAB语言编程,计算了不同高长比、不同厚长比及不同胞璧夹角的不规则正交各向异性蜂窝铝芯的等效弹性参数,得到了胞元结构参数对铝蜂窝宏观力学性能的影响规律,所得结果对蜂窝铝芯的结构设...     

蜂窝芯层等效参数研究综述

蜂窝芯层等效参数的相关研究是蜂窝夹层结构设计和计算的重要基础,深入研究蜂窝芯层的力学特性具有重要的应用意义。对蜂窝芯层等效参数的研究进行了综述,首先介绍蜂窝芯层面内等效参数的研究进展,主要基于经典梁理论和均匀化理论,从线性和非线性两方面展开综述。然后介绍芯层面外等效参数研究,围绕各种计算方法、等效力学模型、线性和非线性等效,以及各自的优缺点等问题进行总结和评述。此外还对一些解析公式的精度和适用范围进行了比较,以方便工程应用。最后,指出了这一领域需要进一步研究的若干问题。     

结构参数对CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板低速冲击性能的影响

针对碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）蒙皮-铝蜂窝夹层结构,使用半球头式落锤冲击试验平台进行了低速冲击载荷下蜂窝芯单元尺寸对夹层板冲击性能影响的试验探究,并基于渐进损伤模型、内聚力模型和三维Hashin失效准则,在有限元仿真软件ABAQUS中建立了含蒙皮、蜂窝芯、胶层的CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板精细化低速冲击仿真模型,仿真结果与试验结果吻合较好。利用该数值模型进一步探究了蜂窝芯高度、蒙皮厚度和蜂窝芯壁厚等结构参数对于蜂窝夹层板低速冲击吸能效果的影响。结果表明:增大铝蜂窝芯的单元边长,会减小蜂窝夹层板的刚度,提升夹层板的吸能效果;芯层高度对夹层板的刚度及抗低速冲击性能影响较小;增大蜂窝夹层板的蒙皮厚度,可以提高夹层板的刚度,但会降低夹层板的吸能效果;增大蜂窝芯的壁厚,可以提高夹层板的刚度和抗低速冲击性能。      

碳纤维增强聚合物复合材料方形蜂窝夹层结构水下爆炸动态响应数值模拟

基于ABAQUS有限元仿真软件,建立了不同夹芯相对密度的碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）复合材料方形蜂窝夹层结构在水中爆炸冲击波载荷作用下的仿真模型,分析了结构的变形过程、夹芯的压缩特性及结构的失效及破坏情况。数值模拟结果表明,CFRP复合材料蜂窝夹芯压缩量在前面板速度降至与后面板相同时达到最大; CFRP复合材料蜂窝夹芯的最大压缩量随着初始压力的增大呈先缓慢增大后快速增大的趋势,其增大趋势在夹芯接近完全压缩时又趋于缓慢; CFRP复合材料夹层结构失效随夹芯相对密度和初始压力的变化呈现不同的模式,且其防护性能优于等重的层合结构。研究结果可以为复合材料夹层结构在水中冲击波载荷防护中的应用提供参考。      

Investigation of elastic moduli of Kraft paper honeycomb core sandwich panels

In order to understand the influence of the thicknesses of Kraft paper honeycomb core and medium density fiberboard skins on the stiffness of the sandwich panel, the corresponding finite element models for the resulting sandwich panels were developed. The material properties for the core and skin components of these finite element models were determined using the published data and specifications. It was found that a decrease in the thickness ratio of the core to skin layer (shelling ratio) resulted in an increase in the modulus of elasticity and shear modulus of the sandwich panels. The increase was significant when the shelling ratio was smaller than six. Cell size only affected the modulus of elasticity of the sandwich panels under the flat-wise compression and panel’s inter-laminar shear modulus. Regression equations relating the stiffness of the sandwich panels to the shelling ratio and core cell size were obtained using the finite element model simulated results and were found to compare well with the existing models for layered wood composites.     

高精度碳纤维增强树脂复合材料夹层天线面板热变形影响参数仿真与实验

为满足亚毫米波、太赫兹波段等高频天线反射面的应用需求,采用附加树脂修型技术制得1米级、面形精度优于10 μm均方差(RMS)的碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料天线面板。主要开展了针对高精度CFRP复合材料面板在极端低温环境下的热变形机制研究。根据基础材料性能测试数据,建立面板的有限元仿真模型,预测大温差工况下多结构参数面板的热变形残差,分析了影响面板热变形特性的主要因素。比较了铝蜂窝和碳管阵列夹芯两种面板结构热变形特性的差异。结果表明,碳管夹芯结构面板具备更高的比刚度和热稳定性。通过仿真结构优化给出了面板的结构设计参数,并重新试制了原型面板。采用基于高精度数字摄影测量的实验方法,对铝蜂窝和碳管阵列两种夹芯结构原型面板在低温环境下的热变形误差进行了测量,通过分析实验与仿真结果的误差来源,讨论了有限元预测方法的可行性,给出了针对高精度CFRP复合材料面板设计及工艺方法的指导意见。      

四边简支条件下正交各向异性蜂窝夹层板的固有特性分析

以四边简支正交各向异性矩形蜂窝夹层板为研究对象,应用Reissner-Mindlin夹层板剪切理论,在考虑横向剪切变形的基础上,给出了一种将夹层板弯曲控制方程组化为仅含一个位移函数的单一方程的方法,从而获得了四边简支条件下矩形蜂窝夹层板弯曲振动固有频率的精确解,理论结果与数值结果和实验结果取得很好的一致,验证了本文方法的合理性;在此基础上研究了面板、芯层的各项结构和材料设计参数对夹层板其固有频率的影响,并对各设计参数对夹层板固有频率的调控机理进行了分析。研究结果对蜂窝夹层板的结构设计和工程应用具有指导意义。     

Modelling of composite sandwich structures with honeycomb core subjected to high-velocity impact

In this study the perforation of composite sandwich structures subjected to high-velocity impact was analysed. Sandwich panels with carbon/epoxy skins and an aluminium honeycomb core were modelled by a three-dimensional finite element model implemented in ABAQUS/Explicit. The model was validated with experimental tests by comparing numerical and experimental residual velocity, ballistic limit, and contact time. By this model the influence of the components on the behaviour of the sandwich panel under impact load was evaluated; also, the contribution of the failure mechanisms to the energy-absorption of the projectile kinetic energy was determined.     

湿热环境对复合材料蜂窝板振动特性的影响

为了研究复合材料蜂窝板在湿热环境下的振动特性,针对由碳纤维/双马来酰亚胺复合材料层合板和Nomex芯层复合而成的蜂窝板进行了不同温湿度下固有频率的数值分析。基于分段剪切变形理论,分别考虑复合材料蜂窝薄板和厚板两种情况,利用湿度与温度的等效性,求解了复合材料蜂窝板的振动特征方程。利用有限元软件ABAQUS,建立了四端固支的复合材料蜂窝板精细化模型。分别讨论了温度、湿度、温湿度联合作用对复合材料蜂窝薄板和厚板固有频率的影响。结果表明:相比于温度的升高,复合材料蜂窝板固有频率对吸湿量的增加更为敏感;相同的湿热环境下,复合材料蜂窝厚板结构的固有频率比薄板结构大,且阶次越高,固有频率上升的幅度越大;温湿度的联合作用比它们单独作用的叠加对复合材料蜂窝板固有频率的影响更大,且在复合材料蜂窝薄板中更加明显。