一种纸浆模塑蜂窝板材缓冲性能的研究

目的 为了解决因技术水平制约,纸蜂窝材料芯纸构型单一、单层厚度受限等瓶颈问题,开发一种通用型缓冲结构板材。方法 以纸浆模塑为原材料,以六棱柱结构为例,设计并加工出一种通过正反插方式组合而成的蜂窝板材,并采用有限元方法进行仿真,得到关键结构参数和相关最优参数组合。结果 正反插结构的纸浆模塑板材具有较好的耦合效应,承载能力相较于单层板材大幅提高;结合极限载荷、比吸能等评价指标对板材性能进行定量分析,初始压缩载荷最大可达到73.7kN,满足托盘等重型包装器具的承载需求。通过极差和方差分析可知,各结构参数对板材承载性能和缓冲性能的影响程度,研究表明单元壁厚、中截面边长对该板材承载性能和缓冲性能影响显著。结论 正反插结构解决了现有纸蜂窝材料高度、厚度受限,构型单一等瓶颈问题,提高了纸浆模塑蜂窝板材的承载性能和缓冲性能,可以满足重载要求。与之相关的其他正多边形锥形薄壁管单元亦可以使用同样的正反插设计理念和研究方法。     

复合材料蜂窝夹层板结构的多工况优化设计研究

以复合材料蜂窝夹层板结构作为研究对象,建立了多工况优化模型,对众多的材料设计变量进行必要的取舍,通过优化分析确定复合材料蜂窝夹层板面板各分层的厚度以及蜂窝芯层的厚度等,使结构满足相应的频率约束、屈曲约束,以及强度约束、位移约束和尺寸限制等,同时达到结构的重量最轻。采用序列二次规划法对某卫星的承力筒结构进行了优化设计,优化结果表明:在满足其振动特性以及静力学特性的条件下,复合材料蜂窝承力筒的各面板层厚度以及蜂窝芯层的厚度均有所减小,减重效果显著,较好地实现了复合材料蜂窝夹层板结构的多工况优化设计。     

头部-聚苯乙烯泡沫-铝蜂窝缓冲系统冲击响应与优化设计

典型的头盔是由一层聚苯乙烯(EPS)泡沫作为内衬,为了改变头盔结构及改善吸收能量的能力,内衬局部出现了由EPS和铝蜂窝两层材料作为内部衬垫的新颖头盔以吸收能量。为研究此头盔的缓冲性能,基于EPS宏观三维可压缩本构关系与蜂窝薄壁壳结构,建立了头部-泡沫-铝蜂窝系统三维有限元模型。然后以EPS的密度、厚度,与蜂窝结构的胞元边长和厚度为设计变量,以比吸收能量最大为优化目标,得到对应的目标优化函数。最后运用响应面方法对此三维有限元结构进行优化设计,结果表明泡沫-蜂窝复合缓冲结构具有较好的吸收能量的能力,并有良好的适应性,为层状缓冲系统的冲击响应与产品开发提供了参考。     

蜂窝层合板结构的隔声特性研究

通过理论建模,着重分析了蜂窝层合板的结构参数对隔声性能的影响。考虑简谐声波垂直入射,基于波传递理论和传递矩阵,引入蜂窝特性阻抗建立蜂窝传声理论模型。通过对理论模型的精度分析,研究了蜂窝层合板结构的芯层厚度、面板厚度、等效杨氏模量等参数对层合板传声特性的影响。由数值分析可知,与传统的理论模型相比,该理论模型相对较简洁,而且精度能满足一般工程要求;其次,芯层厚度、面板厚度以及面板密度对蜂窝层合板结构的传声损失影响较大。     

选区激光熔化AlSi10Mg蜂窝夹层管制备及其力学性能研究

目的 研究SLM工艺参数对蜂窝夹层管残余应力、变形以及力学性能的影响。方法 采用正交试验法研究了不同工艺参数对选区激光熔化成形零件残余应力和变形的影响。通过有限元模拟的方法,仿真AlSi10Mg蜂窝夹层管的3D打印过程,得到成形管件的残余应力分布及变形程度。制备蜂窝夹层管3D打印试样,将实心管作为对照组,对比测试管件在轴向压缩、径向压缩及三点弯曲条件下的力学性能。结果 激光功率对残余应力和变形的影响最大。采用最优参数组合打印的管件微观形貌中不同熔池之间呈现出相互交错的结构,致密度达99.78%。轴向压缩中实心管的承载极限为497 MPa,蜂窝夹层管的最大承载极限为390 MPa。在径向压缩条件下,蜂窝夹层管承载能力是实心管的86.62%。在三点弯曲试验中蜂窝夹层管出现2次波峰,承载极限为52 MPa,与实心管的承载极限非常接近。结论 确定最优参数组合为:激光功率200 W、扫描速度1 200 mm/s、扫描间距100 μm,蜂窝隔板厚度0.6 mm、蜂窝孔对边距离5 mm。相同尺寸的蜂窝夹层管相较于实心管质量可以降低22.68%,其力学性能降低并不明显。     

凹六边形蜂窝纸板面内承载性能有限元仿真分析

目的 探究以凹六边形为芯层的蜂窝纸板的力学性能,为凹六边形蜂窝纸箱的运输包装设计提供理论基础.方法 运用有限元仿真,分析不同结构参数影响下的凹六边形蜂窝纸板的面内承载性能.结果 当水平胞壁的长度减小,其他结构参数保持不变,凹六边形蜂窝纸板面内方向上的平台应力增大,能量吸收平台阶段标准化应力增大,最佳吸能点也上升.结论 凹六边形蜂窝纸板结构参数的变化对其平台应力和能量吸收特性有深远影响,其性能研究促进了蜂窝纸箱的进一步发展.     

蜂窝纸板面内平台应力表征

面内平台应力是评估蜂窝纸板面内承载性能的重要指标,且蜂窝纸板性能极易受环境湿度的影响.该文试验分析蜂窝纸板厚度、芯层和面层对其面内平台应力的影响;基于不同相对湿度条件下蜂窝原纸的纵向屈服强度,建立了相对湿度影响的蜂窝纸板面内平台应力模型,并与试验实测数据进行比较验证.结果表明:纸板厚度和面纸性能对蜂窝纸板面内平台应力有较大影响,芯层性能对其影响较小;所建立模型能较准确地反映环境相对湿度对纸蜂窝结构材料面内平台应力的影响.借助该模型,无需大量的试验,即可估算其考虑相对湿度的面内平台应力,为蜂窝纸板的配纸和合理选用提供理论依据.     

蜂窝结构力学超材料弹性及抗冲击性能的研究进展

具有手性蜂窝结构的力学超材料是近年来发展起来的高性能工程材料,它具有轻质、高比刚度、负泊松比、结构参数可调以及力学性能稳定等优点。其不仅可以实现面内变形,面外承载的双重力学作用,还具有出色的隔振、吸声降噪以及控制弹性波的传播等工程应用潜质,在智能结构、车辆船舶、航空航天等领域具有巨大的发展潜力。本文从其弹性和抗冲击两个力学性能方面进行综述。首先介绍并评述了近年来蜂窝结构力学超材料的面内杨氏模量、负泊松比特性以及面外剪切模量等弹性性能的理论分析研究进展。在抗冲击性能方面,从力学模型建立和有限元分析的角度出发,对手性蜂窝结构力学超材料在冲击载荷作用下的整体变形及其抗冲击性能的研究现状分别进行了评述。最后指出针对蜂窝结构力学超材料弹性及冲击性能的研究,可进一步建立内部韧带变形及力的传递力学模型以及深入探索冲击过程吸能机理等,以期为该类力学超材料内部韧带和节点环结构的优化设计提供参考。     

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。     

内凹-星型三维负泊松比结构设计及冲击吸能特性

负泊松比结构因其反常的变形机制在缓冲吸能领域具有可观的应用前景。该文设计并表征了一种参数可调的新型负泊松比结构。采用理论和数值模拟相结合的研究手段,系统地研究了结构的静/动态力学性能和吸能特性。研究结果表明：新结构具有较好的力学性能和参数可调性;在静态压缩条件下,新型蜂窝结构具有更高的刚度和更优异的吸能性能,其比吸能值是内凹型蜂窝结构的2.64倍,是星型蜂窝结构的3.89倍;在动态冲击条件下,内凹-星型结构的吸能性能在低速时优于两种传统蜂窝结构(内凹和星型),在中高速时其吸能优势有所退化,与内凹型蜂窝结构相当,但远高于星型蜂窝结构。     

蜂窝夹层共形承载天线结构的力电性能

本文对玻璃钢蜂窝夹层共形承载天线结构进行常温四点弯曲试验,并对比了含有真实天线的实验件在实验前后的电磁性能。采用三明治夹芯板理论和分离式实体建模方法,利用ABAQUS建立其有限元模型,并基于各向异性材料最大应力准则,使用USDFLD定义蜂窝芯失效准则。实验和模拟结果表明:此方法能准确地模拟结构的刚度和强度。性能检测显示实验件能够承受预定载荷,从而验证了此类结构在弯曲载荷下的可靠性以及模拟方法的准确性。     

飞机典型薄壁复合材料夹层结构整体屈曲

为了研究飞机机身无筋无框复合材料典型薄壁夹层结构在型号上应用的可行性,本文采用解析方法、有限元方法和试验方法对蜂窝夹层复合材料结构的面内压缩和剪切整体屈曲开展系统研究。基于经典层合板理论和工程解析方法推导蜂窝夹层复合材料的压缩和剪切屈曲载荷随试验件尺寸的变化规律。依据某型飞机机身典型结构分别设计压缩和剪切试验件尺寸大小、边界条件和加载方式。利用有限元商用软件ABAQUS对试验设计建立虚拟试验分析,对比验证解析方法和有限元方法的一致性。最后通过真实试验方法确定解析方法和有限元方法的有效性,并验证典型薄壁夹层结构的承载能力和破坏模式。结果显示,压缩试验结果失效模式与理论预测一致,故3种方法得到的结构整体失稳载荷相近,验证了理论方法的有效性;剪切试验结果发生局部破坏,故试验结果偏低,但有限元方法与解析方法所得结果一致,解析方法相对保守。     

星载蜂窝夹层结构固面天线反射器的热变形

针对固面天线反射器在轨运行时自身结构因素受环境温度变化引起热变形的问题,以一口径为1.2 m的星载蜂窝夹层结构固面反射器为研究对象,首先采用有限元仿真软件详细分析了温度由20℃降到-80℃时,不同蒙皮材料、胶层厚度、蜂窝刚度和蜂窝的热膨胀系数（CTE）对反射器热变形型面精度均方根（RMS）的影响规律,其次采用热压罐成型工艺制备了M55J和T300蒙皮材料的两种典型蜂窝夹层结构反射器对仿真结果进行试验验证。结果表明：M55J蒙皮材料发射器的热变形比T300蒙皮材料反射器的小,同时发现发射器的热变形与胶层的厚度基本呈线性关系,胶层厚度越薄,反射器的热变形越小,且当胶层厚度一定时,蜂窝的热变形占主导因素,其刚度变化值提升2倍时影响趋势突变,此时蒙皮刚度对蜂窝热变形的抑制作用明显,当蜂窝的CTE改变11倍时,反射器热变形RMS改变值大于80%。经试验测得环境温度由20℃降到-80℃时两种典型反射器的热变形的RMS值和仿真计算差值分别为15.7%和15.2%,证明仿真结果可靠,可通过优化相应的结构参数为星载天线反射器的设计提供参考。     

Design of load-bearing antenna structures by embedding technology of microstrip antenna in composite sandwich structure

Electrically and structurally effective antenna structure is developed for the next generation of surface technology for communication, in which the structural surface itself becomes an antenna. The basic design concept is a sandwich structure composed of composite laminates and Nomex honeycomb, with which microstrip antenna is integrated. Composite materials with high electrical loss must not reduce antenna efficiency. Stacked-patch microstrip antenna is preferred for wideband performance. An open condition that defines a position of outer facesheet is exploited in order to allow an antenna into the sandwich structure without loss of antenna performances. Measured electrical performances of fabricated structure show that the gain is more improved than original antenna and the bandwidth is as wide as specified in our requirements. With the open condition, wideband antenna can be integrated with mechanical structures without reducing any electrical performances, as confirmed experimentally here.     

Design and fabrication of microstrip antennas integrated in three dimensional orthogonal woven composites

During the last 10 years, there has been considerable interest in the development of conformal load-bearing antenna structure (CLAS) for communication and aerospace applications. CLAS combines the antenna into a composite structure such that it can carry the designed load while functioning as an antenna. In this paper, a 3D integrated microstrip antenna (3DIMA) was designed and fabricated. The input return loss and radiation pattern of the antennas were simulated using a computer aided design tool (HFSS) and also measured experimentally. The swept input return loss curve in the range of 1–2 GHz of the 3DIMA showed a return loss of ?13.15 dB at the resonant frequency of 1.872 GHz with a voltage standing wave ratio (VSWR) of 1.56; the radiation pattern has a maximum at 180° and agrees well with the simulation results, indicating that 3DIMA can be an effective approach for a CLAS.     

The mechanical response of multi tower continuous span suspension bridge deck pavement based on whole bridge analysis

This paper studied the effect of multiple span suspension structure on the mechanical response of bridge deck pavement, and Finite Element Analysis of stress and strain of pavement according to the bridge floor system features of super-long and high flexibility has been done. Meanwhile, the FEM results were compared with those of the single span suspension structure. Three-stage analytic hierarchy process (ahp) is developed to analyze the mechanical response including whole bridge analysis, partial beams section analysis and orthotropic plate analysis. The most unfavorable load position was determined by the numerical solutions acquired from each stage to study the main mechanical index of multiple span suspension structure. The FEM results showed that the mechanical response numerical solutions by using the three-stage ahp are greater than those by simplified boundary condition, and the force condition of multiple span suspension structure is worse than that of the single span suspension structure.     

Buckling characteristics of smart skin structures

A 5.78 GHz micro strip antenna has been developed for use in Wireless LAN (WLAN) systems. It has a composite sandwich construction, and uses composite laminates and Nomex honeycomb. This is the surface-antenna-structure (SAS) concept, applied to load-bearing structural surfaces. The design originated from a composite sandwich structure and a multi-layer micro strip antenna. Design, fabrication and validation of structural/electrical performances all took place. To verify structural rigidity, the bucking behavior was calculated from a theoretical model, and was compared with experimental results. Electrical measurements of the fabricated antenna array were in good agreement with design specifications. The SAS concept can be extended into a guide for manufacturers of structural body panels as well as antenna designers, promising innovative future communication technology.     

Effects of designed tubular porosity on compressive strengths of honeycomb ceramics

Three-dimensional honeycomb porous ceramics were fabricated using the fused deposition process. The structures were designed to have a controlled interconnected porosity. Elastic interactions between pores of honeycomb ceramic materials were then evaluated for different pore parameters using the finite element modeling (FEM) approach. The FEM results were compared experimentally with the compressive failure strengths of the honeycomb ceramics. The effect of relevant pore parameters on the compressive strength was studied. An analytical fracture mechanics based approach is presented for comparison with the FEM to reflect on the relative importance of pore parameters for different volume fractions of porosity. A detailed insight is also provided into the interrelation between various porosity parameters, mechanical behavior and design of these structures.     

简支边界条件下超椭圆蜂窝夹芯板的自由振动

基于Reddy三阶剪切板理论,将铝基蜂窝芯层等效为一正交异性层,等效弹性参数由修正后的Gibson公式得出,对简支边界条件下超椭圆蜂窝夹芯板弯曲振动的固有频率进行了理论推导,应用具体算例与实验值和有限元计算结果进行了验证,结果表明本文方法具有较高的计算精度。研究了板宽、板厚和芯层胞元结构参数对简支边界条件下超椭圆蜂窝夹芯板固有频率的影响,并绘出相应的曲线图,该曲线图对超椭圆蜂窝夹芯板的工程应用具有指导意义。     

复合材料蜂窝夹层结构T型接头拉伸性能研究

通过试验测量了复合材料蜂窝夹层结构T型整体接头的拉伸性能,得到其拉伸强度与破坏模式。建立了接头结构有限元模型,利用分类损伤判据、失效准则与刚度退化准则对结构的损伤情况进行模拟,研究了接头的拉伸破坏行为。有限元分析结果与试验结果吻合良好。研究结果表明,结构的薄弱点位于腹板内靠近蒙皮的位置。蜂窝在此处发生面外拉伸破坏,从而导致结构的最终破坏。腹板上的拉伸载荷主要通过过渡区填料传递给蒙皮,腹板与蒙皮间的搭接段对载荷传递的贡献较小。参数研究表明,对于复合材料蜂窝夹层结构T型接头,搭接段长度对结构的强度几乎没有影响,而增大蒙皮蜂窝的高度或采用低模量蜂窝可以提高结构强度。