碳纤维格栅结构力学性能研究

为了得到轻质高强点阵材料和预测点阵材料的力学性能,应用嵌锁工艺设计和制备了混合三角格栅。根据连续介质力学方法预测拉伸主导型点阵格栅的等效刚度。对试件进行了面内压缩试验和三点弯曲试验,对比试验刚度和试件破坏模式说明了等效连续介质理论模型的可行性和点阵材料的优越性。     

Kagome点阵夹芯板的抗冲击性能研究

Kagome点阵夹芯结构是近年来提出的一种力学性能十分优异的新型点阵夹芯结构。建立了3D-Kagome点阵夹芯板在理想冲击载荷作用下的分析模型,将含有大量周期性单胞的芯子等效为实体板,得到了Kagome芯子的等效本构关系,给出了芯子的等效强度和刚度。采用有限元方法模拟3D-Kagome夹芯板在理想冲击载荷作用下的响应,研究了板的最大挠度随芯子相对密度、芯子的厚度参数和冲击载荷大小的变化规律,得出了该结构抗冲击的最优化设计方案。与相同重量的实体板比较发现,3D-Kagome点阵夹芯板在抵抗冲击、能量吸收和耗散等方面具有很大的优势。     

面内压缩超轻质点阵夹芯板的优化、 试验与仿真

为揭示点阵材料在航空航天工程中的应用潜力,对承受面内压缩载荷点阵夹芯板的力学行为进行了研究。基于夹芯板整体欧拉失稳、剪切失稳、格间局部失稳、跨格局部失稳和应力破坏多种理论失效模式,引入面板厚度、厚度方向的点阵层数、点阵杆件长度、截面尺寸、倾斜度、胞元长细比等优化变量,推导了点阵夹芯板的最小质量优化设计方法。同时利用激光选取熔融（SLM）增材制造工艺生产了点阵夹芯板试验件。随后,采用有限元方法对试验结果进行了仿真分析,两者误差在10%以内,证实了数值方法的准确性。最终对初始设计和优化设计方案进行了数值分析,发现优化方案在保持相同承载力的条件下,实现结构减重16.6%,验证了优化设计方法的有效性。同时,试验与仿真的一致性有力地证明了增材制造工艺在点阵夹芯结构制造方面的可行性。      

碳纤维增强金字塔点阵夹芯结构的抗压缩性能

提出了一种碳纤维增强复合材料点阵夹芯结构的一体化成型工艺方法。该方法克服了传统夹芯结构面板与芯子之间因需要二次粘接或焊接的方法所带来弱界面的缺点。将纤维杆两端埋入面板内,使面板与芯子成为一体而不存在明显的界面。对用该方法制备的碳纤维增强金字塔点阵夹芯板进行平压试验,研究发现随着载荷的增加,纤维杆发生弹性屈曲并在中间部位出现断裂。理论分析了点阵夹芯结构平压载荷下的弹性模量和纤维杆极限屈曲载荷。通过与传统夹芯材料相比较发现,这种新型复合材料点阵夹芯结构具有密度低、比强度和比刚度高等优点。      

十字嵌锁型格栅夹芯结构设计及低速冲击性能

针对传统复合材料格栅夹芯结构极限承载能力较低、单胞封闭易造成水汽凝结的问题,在分析管胞微观结构和功能性的基础上,提出一种新型十字嵌锁型格栅夹芯结构。首先选取最小体积(最小质量)和最小变形(最大刚度)为优化目标,利用第二代非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)完成多目标优化,采用三维Hashin失效准则和改进的刚度退化方法建立格栅夹芯板的冲击渐进损伤有限元分析模型,研究多种低速冲击载荷对不同相对密度夹芯结构的不同位置的破坏机制及力学响应。结果表明：新型格栅夹芯结构表现出良好的低速冲击阻抗,其随芯子的空间分布存在差异,格栅间隙处的抗冲击性能较弱,芯子密度的提高不能有效增强该位置处的冲击强度,夹芯结构所受到的破坏远远大于冲击器撞击格栅交点处的情况;受不同冲击位置和冲击速度的影响,载荷-时间和位移-时间曲线呈现出不同的典型模式,芯子出现屈曲、分层、粘接剥离、折弯变形等失效形式,复合材料上面板发生混合损伤,随着冲击速度的增加,芯子和面板的损伤程度也愈严重。     

连续纤维Octet-truss点阵夹芯结构制造及抗压缩性能

Octet-truss是一种兼具轻质构型和多功能特点的三维点阵结构,为分析和验证其抗压缩性能,提出了一种采用连续纤维制备Octet-truss点阵夹芯板的方法,该方法设计了一套Octet-truss结构成型工装,采用该工装,运用空间编织法及树脂固化工艺制备了不同类型的玻璃纤维和凯夫拉纤维试件,并对试件进行了轴压测试,实验结果表明该方法制备的不同材质、不同尺寸的夹芯板力学性能稳定,验证了其制备工艺的可靠性,结合实验过程与SEM图像分析了玻璃纤维试件主要失效模式为节点附近纤维杆因纤维微屈曲出现断裂,凯夫拉纤维试件主要失效模式为纤维杆欧拉屈曲而出现弯曲破坏。      

基于近似模型辅助智能算法的变截面点阵结构优化设计方法EI北大核心CSCD

桁架类点阵结构具有质量轻、比强度/比刚度高、减振吸能性好,且拓扑构型简单、增材成型可靠性高等优点,被广泛应用于航天器各关键承载部件设计。传统桁架类点阵设计大多囿于等截面设计约束,严重制约了优化设计的寻优潜能,难以满足航天器结构超轻质、高强度的性能要求。为突破传统点阵的等截面形状约束,构建基于显式拓扑描述函数的变截面几何描述模型,实现变截面点阵几何形状的自由描述;采用能量均匀化方法精确计算变截面点阵单胞宏观等效弹性张量,并建立变截面点阵几何描述参数关于其宏观等效弹性张量的近似响应模型;以变截面点阵的几何描述参数为设计变量,材料用量为约束条件,最大体积模量或最大剪切模量为目标函数,建立变截面点阵几何描述参数的优化数学模型,并采用基于近似模型辅助的粒子群优化算法实现上述优化模型的高效求解。数值算例表明,相较于等截面点阵,在相同材料用量下,优化后的变截面点阵的体积模量和剪切模量性能更优。所提方法进一步拓展了桁架类点阵的设计空间,有效提升其力学性能,在航天器结构轻量化设计方面具有应用推广前景。     

基于精确板理论的复合材料格栅/波纹夹芯结构屈曲特性

提供了一种分析全复合材料格栅/波纹夹芯板屈曲特性的解析模型.将格栅、波纹芯子视为连续性单层,基于精确板理论推导了全复合材料波纹/格栅夹芯板的内力-应变关系;在考虑复合材料芯子壁板各向异性和横向剪切变形的基础上,基于均质化理论分别推导了复合材料正交格栅和梯形波纹芯子的等效弹性常数;利用最小势能原理得到了全复合材料格栅/波...     

蜂窝金属夹芯板重复冲击动态响应研究

蜂窝金属及其夹芯结构是一种物理功能与结构一体化的新型轻质高强结构,广泛应用于结构轻量化与碰撞冲击防护领域。采用ABAQUS非线性有限元软件建立了蜂窝金属夹芯板(honeycomb sandwich panel,HSP)结构动态冲击数值仿真模型,数值仿真计算结果与文献实验结果吻合较好,验证了数值仿真模型的正确性。在此基础上,开展了重复冲击载荷作用下蜂窝金属夹芯板结构动态响应研究,得到了重复冲击力时程曲线、动态变形时程曲线、冲击力位移曲线以及最终挠度,分析了冲击能量、蜂窝壁厚以及上、下面板厚度分配对蜂窝金属夹芯板结构重复冲击动态响应的影响规律。研究结果表明,重复冲击载荷作用下蜂窝金属夹芯板结构上、下面板弯曲变形以及蜂窝芯层压缩变形逐渐积累,蜂窝芯层薄壁结构逐渐达到密实化,结构抗弯刚度逐渐上升,变形增量逐渐减小,结构整体能量吸收率下降。通过调节蜂窝壁厚和上、下面板厚度分配可以显著调节蜂窝金属夹芯板结构重复冲击动态响应与能量吸收性能。     

变刚度复合材料平板与开孔板屈曲性能试验验证与数值仿真

为验证基于丝束曲线铺放的变刚度设计在改善典型航空结构屈曲性能中的应用潜力,设计并制造了变刚度复合材料平板和开孔板试件。通过应变片和非接触式三维光学测量系统,全面地测量了试件受单轴压缩载荷过程中的面外位移和载荷方向应变。试验结果表明：变刚度平板和开孔板较同构型直线铺层试件屈曲载荷分别提升53.4%和46.6%;试件力学响应相似,均为线性加载至屈曲载荷后刚度大幅折减,变刚度试件后屈曲阶段呈近似线性,而直线铺层试件则连续变化。根据试验方案细化了数值模型,屈曲载荷、面外位移及应变的计算结果与试验结果基本吻合。在此基础上,提取了数值模型中的刚度分布和加载截面载荷分布,阐明了变刚度设计的抗屈曲机制。对于本文试件,采用变刚度设计还可显著提高破坏载荷,并降低侧边载荷,缓解应力集中。     

温度对缝合气凝胶夹芯复合材料面内压缩性能的影响

分别开展缝合气凝胶夹芯复合材料在不同温度下的面内压缩试验,研究材料在室温、300℃、600℃和800℃下的面内压缩力学性能,并采用微焦点工业CT扫描的方法对试样内部结构进行分析,结合有限元分析方法,探究其结构破坏机制。结果表明:在面内压缩载荷作用下,材料存在极限载荷,面板的局部屈曲、芯层的剪切破坏以及缝线柱的断裂是材料破坏的主要方式。随着温度的升高,材料的面内压缩模量和极限载荷也逐渐升高,面板破坏处的断口逐渐呈现出类似脆性的断裂。300℃、600℃和800℃下材料的面内压缩模量分别为室温的1.05倍、1.57倍和1.65倍;极限载荷分别为室温的1.14倍、1.46倍和1.67倍。室温下有限元分析结果和试验结果的对比,验证了缝合气凝胶夹芯复合材料面内压缩破坏模式的合理性。     

Compression properties of fire-damaged polymer sandwich composites

The effect of fire-induced damage on the edgewise compression properties of polymer sandwich composites is investigated. Fire tests were performed using a cone calorimeter on sandwich composites with high or low flammability. The highly flammable composite had a poly(vinyl chloride) foam core, while the flame resistant composite had a phenolic foam core. The residual edgewise compression properties of the burnt composites were determined after fire testing at room temperature. The compression stiffness and strength of the two sandwich composites decreased rapidly with increasing heat flux and heating time of the fire due to thermal decomposition of the face skin and foam core. A large reduction to the edgewise compression properties of the phenolic-based sandwich composite occurred despite having good flame resistance, and the reasons for this are described. Preliminary analytical models are presented for estimating the edgewise compression failure load of fire-damaged sandwich composites that fail by core shear or buckling.     

Manufacturing and testing of a CFRC sandwich cylinder with Kagome cores

Filament winding and twice co-curing processes were proposed to make a carbon fiber reinforced composite (CFRC) sandwich cylinder with Kagome cores. Axial compression was carried out to reveal the stiffness and load capacity of the fabricated sandwich cylinder. Compared with the stiffened cylinder with similar dimensions and mass, the sandwich cylinder is shown to be stiffer and stronger by several times. Restrained by the double skins, the buckling of lattice ribs is effectively suppressed, leading to the elimination of the dominant failure mode. Skin crippling and strength failure were observed in the testing to be the competing failure mechanisms of the lattice sandwich cylinder. The prediction based on the weakest link of these mechanisms only overestimates the testing load capacity by 30%. The novel sandwich structure shows the promise of lattice composites in upgrading the mechanical properties.     

Fabrication and Mechanical Testing of Ultralight Folded Lattice-Core Sandwich Cylinders

In this research, two novel folded lattice-core sandwich cylinders were designed, manufactured, and tested. The lattice core has periodic zigzag corrugations, whose ridges and valleys are directed axially or circumferentially. Free vibration and axial compression experiments were performed to reveal the fundamental frequency, free vibration modes, bearing capacity, and failure mode of the cylinder. A folded lattice core effectively restricts local buckling by reducing the dimension of the local skin periodic cell, and improves the global buckling resistance by enhancing the shear stiffness of the sandwich core. The cylinders fail at the mode of material failure and possess excellent load-carrying capacity. An axially directed folded sandwich cylinder has greater load-carrying capacity, while a circumferentially directed folded sandwich cylinder has higher fundamental frequencies. These two types of folded lattices provide a selection for engineers when designing a sandwich cylinder requiring strength or vibration. This research also presents a feasible way to fabricate a large-dimensional folded structure and promote its engineering application.     

高速冲击载荷作用下钎焊蜂窝夹层板动态响应

目的 以钎焊高温合金蜂窝夹层板为研究对象,分析其在弹丸高速冲击作用下的力学性能。方法 采用轻气炮冲击加载试验结合有限元模拟,对蜂窝夹层板开展不同冲击强度下的动态响应和失效研究。开展含高速冲击损伤的蜂窝夹层板侧压试验,研究损伤模式对剩余强度的影响。结果 冲击强度对夹层板的失效过程和失效模式有着明显的影响,当冲击条件不足以使得迎弹面发生侵彻时,夹层板失效为表面压痕损伤;随着冲击强度的提高,出现不同程度的局部芯层压缩;当冲击强度大于临界值时,迎/背弹面陆续被侵彻,夹层板出现侵入损伤及贯穿损伤。结论 高速冲击损伤使得蜂窝夹层板的侧压失效模式,由理想塑性屈曲转变为局部失稳,侧压极限载荷大幅降低。     

Designing and compression behaviors of ductile hierarchical pyramidal lattice composites

To improve the ductility of lightweight cellular material, hierarchical pyramidal lattice truss composites were designed and manufactured. Rib of the hierarchical pyramidal lattice truss composite is made of glass fiber reinforced woven textile sandwich structure and designed weft-loaded. Flat-wise compression experiments were carried out to explore the strength and deformation mode of the hierarchical pyramidal lattice truss composite. Progressive crushing of the sandwich rib enables the hierarchical lattice composite to have a long stable deformation plateau. Stress of the deformation plateau of the hierarchical lattice composite is rather close to its strength, indicating that the hierarchical lattice composite would have excellent specific energy absorption, even better than aluminum lattice structures. The experiments reveal that the hierarchical structure makes the fiber reinforced lattice composite much more ductile and weight efficient in energy absorption.     

含孔复合材料点阵夹层结构数值计算方法及其影响因素

针对含孔复合材料点阵夹层结构在面内压缩载荷作用下的失效模式及其影响因素问题,通过实验对含孔复合材料点阵夹层结构失效模式进行了研究;基于3D Hashin准则和Chang-Chang刚度退化准则建立了含孔复合材料点阵夹层结构有限元渐进损伤失效分析模型,并将计算结果与实验结果进行了对比;基于有限元分析方法探讨了开孔形状、开孔率以及开孔位置对其极限承载力的影响。结果表明:当点阵夹层结构面板厚度较大时,含孔复合材料点阵夹层结构的主要失效模式为面板圧溃;通过对比有限元计算结果和实验结果,极限承载力的最大误差约为12%,失效位置与实验结果一致;当点阵夹层结构的对称面与载荷方向平行且孔的中心在对称面上时,面内压缩强度与开孔位置无关,主要受到开孔形状和开孔率的影响;当点阵夹层结构对称面与载荷方向垂直且孔的中心在对称面上时,边距大于一个胞元,面内压缩强度基本不变,边距小于一个胞元,面内压缩强度下降。     

Compression and bending performances of carbon fiber reinforced lattice-core sandwich composites

To restrict debonding, carbon fiber reinforced lattice-core sandwich composites with compliant skins were designed and manufactured. Compression behaviors of the lattice composites and sandwich columns with different skin thicknesses were tested. Bending performances of the sandwich panels were explored by three-point bending experiments. Two typical failure mechanisms of the lattice-core sandwich structures, delaminating and local buckling were revealed by the experiments. Failure criteria were suggested and gave consistent analytical predictions. For panels with stiff skins, delamination is the dominant failure style. Cell dimensions, fracture toughness of the adhesives and the strength of the sandwich skin decide the critical load capacity of the lattice-core sandwich structure. The mono-cell buckling and the succeeding local buckling are dominant for the sandwich structures with more compliant skin sheets. Debonding is restricted within one cell in bending and two cells in compression for lattice-core sandwich panels with compliant face sheets and softer lattice cores.     

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。