正则多面体体胞结构创新设计与碰撞吸能特性分析

在多面体夹芯结构设计过程中,现有的研究中较少考虑体胞的形状和尺寸的演变过程,从而忽略了体胞的形状、尺寸参数的变化对结构碰撞吸能特性影响趋势的分析。基于折纸几何学的思想,提出一种能够变换出正棱锥和正棱台体胞结构的正则多面体体胞演变机理。引入相似比和裁剪比对体胞的形状和尺寸分开或同时讨论,得到能适应不同场合的体胞结构。定义体胞的阵列排布方式,得到上下嵌套的正则多面体夹芯结构。建立正则多面体夹芯结构碰撞模型,用有限元仿真分析冲击角度和形状、尺寸的变换参数对正则多面体夹芯结构碰撞吸能特性的影响,得到不同参数下,正则多面体夹芯结构的吸能特性的影响曲线图,为设计正则多面体夹芯结构提供参考。     

N-1型多面体夹芯结构体胞演化机理与性能正向设计

N-1型多面体夹芯结构是一种新型的三明治类夹芯结构,具有比强度高、耐热性好、抗冲击等特性。针对N-1型多面体夹芯结构性能优化过程中,由于设计机理不明导致设计空间复杂、优化计算量大、优化结果局部最优等问题,提出基于体胞演化机理的N-1型多面体夹芯结构剪切性能正向设计。对N-1型正则多面体体胞进行几何特征分析,定义基础体胞及演化基础圆,将N-1型正则多面体体胞分为相切体胞、外相交体胞和内相交体胞。提出基于演化基础圆和基础体胞的N-1型多面体体胞相似演化模式,揭示体胞平面拓扑到空间拓扑演化机理,通过求解演化参数可行域,建立体胞演化叠合成形窗口。分析演化参数及板厚对N-1型多面体夹芯结构剪切性能的影响,确定N-1型多面体夹芯结构剪切性能空间分布及优化空间域。在此基础上,建立基于Kriging近似技术的多面体夹芯结构剪切性能优化模型,正向优化得到剪切性能全局最优的N-1型多面体夹芯板。最后,通过与瓦楞夹芯结构比较,验证了该结构的可靠性,为设计正则多面体夹芯结构提供理论依据。     

多面体体胞结构演变机理与抗撞性优化设计研究

针对多面体夹芯结构抗撞性优化过程中,传统数学模型以体胞边长,体胞高度等体胞几何尺寸为设计变量建立抗撞性优化数学模型,未考虑体胞形成过程对结构吸能特性的影响,导致所建模型遗漏了体胞的分布密度,且优化变量多、模型复杂的问题。对多面体夹芯体胞演变机理进行分析,以多面体夹芯结构演变参数为设计变量,建立基于Kriging近似技术的多面体夹芯结构抗撞性优化模型。构建多面体夹芯结构抗撞性优化流程,求解获得抗撞性最优的多面体夹芯结构设计,通过与波纹夹芯结构的对比,验证了该结构的可靠性。     

一种新型组合蜂窝夹芯的热性能分析与尺寸改进方法

组合蜂窝具有较大的功能设计空间和良好的应用前景。提出一种新型组合蜂窝夹芯构型,分析了其热性能指标和影响因素,实现了该组合蜂窝夹芯的热性能数值模拟过程,通过与正方形、菱形及六边形蜂窝夹芯的比较,对该组合蜂窝夹芯的热强度和热刚度性能进行评价;借助灵敏度分析方法,得到了影响该组合蜂窝夹芯热性能的关键胞元壁厚,并根据不同壁厚的热性能有限元仿真结果,对蜂窝夹芯胞元壁厚进行改进,从而进一步改善了该组合蜂窝夹芯结构,提高了其整体热强度和热刚度性能。     

点阵夹芯圆筒扭转稳定性的参数化分析

针对扭转载荷作用的四面体点阵夹芯圆筒,以基于等质量圆壳结构的性能增强系数为评价指标,利用有限元数值方法,对点阵杆截面形状、圆筒蒙皮厚度、单胞相对密度、单胞数目及单胞构型对结构扭转稳定性的影响进行了参数化分析。结果表明:结构扭转稳定性能受单胞相对密度和蒙皮厚度变化显著影响,但不同截面形状的等截面积实心杆点阵结构的扭转屈曲性能基本相同,包含更多的点阵单胞有利于增强结构扭转稳定性,而较小相对密度时杆长短的点阵单胞夹芯圆筒扭转性能更具优势。计算结果对点阵夹芯圆筒的设计具有指导意义。     

蜂窝夹层结构夹芯层的近似设计方法

为了得到合理的能满足不同性能要求的蜂窝夹层结构夹芯层构型,提出一种夹芯层的近似设计方法,通过建立多约束拓扑优化模型,在综合考虑可制造性原则的前提下,对不同体分比下的拓扑优化结果进行近似设计,得到蜂窝夹层结构夹芯层的基本胞元构型,并运用有限元方法对所设计的胞元构型进行性能分析,以进一步验证、修改和完善。最后以电动车底盘甲板为对象,运用Abaqus,实现其蜂窝夹层结构夹芯层的近似设计过程和性能分析,结果表明,在整体重量大幅度减轻的同时,刚度和强度性能也得到了较好的满足。     

类蜂窝夹层结构的力学特性研究

创新设计的类蜂窝夹层结构具有良好的力学性能、吸能特性和更大的设计空间.目前大多研究是将夹层结构的胶粘剂层的厚度忽略不计,并且将整个夹层结构的厚度约等于夹芯层的厚度来进行相关力学性能参数的计算.本文基于Gibson夹层结构胞元理论,考虑胶粘剂层的影响因素,对类蜂窝夹层结构进行力学性能分析;运用复合材料力学和材料力学理论以及应变能等效原理推导出类蜂窝夹层结构的等效力学性能、刚度和等效密度计算公式.本文的研究结论可望为进一步研究新型蜂窝夹层结构提供相应的理论支持.     

新型组合蜂窝夹芯结构振动特性研究

针对提出的一种新型组合蜂窝结构,围绕该蜂窝夹芯结构的振动特性展开研究,从分析蜂窝夹芯结构的固有频率和特征值入手,并以应用于某型号电动车底盘中部甲板的新型组合蜂窝夹芯为例,通过模态分析,得到新型组合蜂窝夹芯结构的各阶固有频率和振型,验证了该夹芯结构的固有振动特性。借助数值仿真,对影响新型组合蜂窝夹芯固有频率和模态的关键尺寸胞元壁厚进行了改进;最后,在同等条件下,与正方形胞元夹芯和正六边形胞元夹芯进行了比较,结果表明新型组合蜂窝夹芯更能满足模态要求。     

钢蜂窝夹芯结构的准静态压缩吸能特性

利用MTS810型材料试验机对Q215钢蜂窝夹芯结构进行了准静态压缩试验,分析了其结构参数对抗压强度和比吸能值的影响.结果表明:Q215钢蜂窝夹芯结构具有良好的吸能特性,比吸能值达到5～38 kJ·kg-1;沿x,Y方向压缩时,抗压强度和比吸能值均随面板厚度与夹芯厚度比的增加而增大;沿x方向压缩时,抗压强度和比吸能值均随胞壁厚度与胞壁边长比的增加而增大.     

点阵夹芯结构的参数分析与熔模铸造

为了提高点阵夹芯结构在平压情况下的力学性能,以金字塔点阵夹芯结构为研究对象,通过对金字塔单胞的分析,建立了以立柱长度L、立柱截面半径R、立柱倾斜角度W为可变参数的参数化模型。通过有限元分析,分析了3种参数对点阵夹芯结构平压性能的影响。并选取了最佳参数的金字塔点阵夹芯结构,设计了合理的底注式和垂直缝隙式相结合的综合式浇注系统,最后进行了熔模铸造的数值模拟仿真。研究结果表明:当L=32 mm、W=60°、R在1.5 mm~2.5 mm之间时,金字塔点阵夹芯结构具有良好的平压静力学性能,在浇注温度为1 700℃、充型速度为80 mm/s的条件下,金字塔点阵夹芯结构具有良好的可铸造性。     

复合材料起落架舱门结构优化设计

基于有限元软件ANSYS建立复合材料起落架舱门参数化有限元模型,基于三明治夹芯板理论将蜂窝芯层等效为均质的厚度不变的层板,以蜂窝夹芯高度与复合材料面板各铺层厚度为设计变量,以铺层板、蜂窝夹芯的强度,结构稳定性以及结构刚度为约束函数,以结构质量最轻为目标函数,基于ANSYS优化模块首先选择零阶法进行优化得到粗略解,其次选择一阶梯度优化法进一步对夹层结构进行优化设计,得到最优蜂窝芯子厚度、蒙皮各铺层厚度.     

一种新型组合蜂窝结构的轴向承载性能研究

轴向承载力是蜂窝结构重要的力学性能指标。提出一种基本胞元由菱形和圆形构成的新型组合蜂窝结构,围绕其轴向结构稳定性、整体刚度和强度三个方面展开研究。首先运用线性特征值屈曲分析方法,通过有限元数值模拟,实现了新型组合蜂窝的结构稳定性分析过程,并与菱形、正六边形、正八边形蜂窝结构的屈曲分析结果进行了比较;同时,以某型号电动车底盘中部甲板为例,验证了新型组合蜂窝夹芯结构在轴向载荷作用下的整体强度和刚度,并分析了不同胞元壁厚对夹芯整体强度和刚度的影响。结果表明,新型组合蜂窝具有良好的轴向结构稳定性,且其夹芯层整体刚性和强度较好,轴向承载力强,是综合力学性能较优的创新构型。     

类方形蜂窝夹芯胞元尺寸的等效力学性能与优化

为了提升类方形蜂窝等效力学性能，在推导了其尺寸参数与等效力学性能的函数后，将尺寸参数作为设计变量、等效力学性能为优化目标，建立了类方形蜂窝夹芯胞元优化数学模型，采用了多目标遗传算法进行优化设计。给出胞元尺寸单参数响应及多尺寸协同作用的响应分析并从多目标优化代表性解中选取到最优解。优化结果得到：当夹芯胞元尺寸参数l/t取114.3899、l/h取0.9598时，等效密度增加59.52%,y方向等效弹性模量减小了67.37%，但x方向等效弹性模量增大了109.77%，等效剪切模量增加了421.94%，类方形蜂窝夹芯的等效力学性能显著提升。研究结果对类方形蜂窝夹层结构的优化设计提供一定的依据和参考。     

三维多向编织复合材料弯曲模量的理论预测

基于单胞分析模型,采用改进的刚度平均化方法,对三维四向和五向编织复合材料的各单胞及各层的弹性性能进行预测与分析;进一步,利用材料力学理论,推导材料的弯曲模量,分析编织角、纤维体积含量以及试件尺寸对其的影响,并与拉伸模量及试验值进行比较.结果表明,三维编织复合材料的不同胞体及各层之间的弹性性能存在较大差异,并且材料的弯曲模量大于拉伸模量.研究还表明,编织角和纤维体积含量是影响材料弯曲模量的重要参数,弯曲弹性性能受试件厚度的影响比宽度大,当宽度和厚度达到一定尺寸时,弯曲模量会趋于定值.此外,三维五向编织复合材料的弯曲弹性性能明显优于三维四向编织复合材料.     

泡沫铝夹芯结构机床立柱多目标优化设计

为探索提高机床综合性能的新途径,提出了泡沫铝夹芯结构立柱新构型.首先,选取XK714数控机床立柱为原型,运用等刚度设计理论和轻质性设计理论初步设计泡沫铝夹芯结构机床立柱;然后,运用多目标优化设计的方法对泡沫铝夹芯结构机床立柱进行优化设计;最后,对原型立柱和优化前后的泡沫铝夹芯结构立柱的静、动、热态性能及轻质性进行对比分...     

复杂多边形蜂窝结构等效弯曲刚度研究

研究了一种复杂多边形蜂窝结构的等效弯曲刚度。将蜂窝结构简化为正交异性薄板,首先计算薄板在均布弯矩载荷下的变形能,同时利用载荷平衡条件计算蜂窝各胞壁变形能之和,然后利用能量等效原理得到蜂窝结构等效弯曲刚度的解析表达式。蜂窝结构等效弯曲刚度随胞壁夹角及长度的变化非常明显,两正交方向的耦合弯曲刚度会随着胞壁夹角及长度的变化出现反转,等效弯曲刚度的绝对值会随着胞壁高度及厚度的增大而增大。最后利用有限元分析结果反推了蜂窝结构的等效弯曲刚度,验证了理论分析方法的正确性。     

轻质高强类蜂窝夹层结构力学性能分析及优化

创新构形类蜂窝夹层结构相比于传统六边形蜂窝夹层结构,具有更好的力学性能.本文以类蜂窝夹层结构的面板层厚度tf、夹芯层厚度c及胶粘剂层厚度ta为优化参数,采用多目标遗传算法对类蜂窝夹层结构各项力学性能进行优化设计.分析了各厚度参数对夹层结构的力学性能的影响情况,同时探讨了参数协同作用下,各层厚度对力学性能的敏感程度,并根据实际工程应用情况对优化解进行折中选择.研究发现:与优化前的初始值比较,优化后的类蜂窝夹层板在x轴向等效弹性模量增长了8.17％,z轴向等效弹性模量增长了63.08％,xz面内等效剪切模量增长了19.82％,xy面内等效剪切模量减小了26.11％,弯曲刚度增长了45.31％,扭转刚度增大了69.83％,总重量减小了8.26％,较好地改善类蜂窝夹层结构的各项力学性能.该研究为夹层板结构优化设计提供了一定的参考依据,具有重要的创新意义和实用价值.     

橡胶填充格栅夹芯板的声振特性研究

武器发射装置产生的振动会对发射精度、设备和人员造成不利的影响,格栅夹芯板减振降噪效果明显,为了加速工程应用,基于有限元-边界元方法对此复合材料结构进行了参数化分析,探究了几何参数和材料参数对其声振性能的影响规律。研究结果表明:增大芯层厚度明显降低了200 Hz以上频段的振动和辐射噪声;适当地增大支撑物结构刚度可使共振峰值明显右移,并且对振动和声辐射的峰值有明显的抑制作用。     

蒙皮点阵结构参数化及力学性能优化

针对蒙皮点阵结构的拓扑参数设计困难的问题,提出了基于胞元拓扑结构的蒙皮点阵结构建模方法,构建了蒙皮点阵结构试件的参数化建模及力学性能协同优化系统。将5种胞元构成的试件的蒙皮厚度与胞元尺寸及支柱截面半径作为优化参数,试件质量、变形和应力等设定为优化目标,使试件在分别受到压缩、弯曲、扭转载荷时具有较好的力学性能,从而得到轻质、高强度的点阵结构材料。研究得到了在各种载荷下蒙皮点阵材料的设计与优化的分析方法及各种胞元结构试件力学性能的数据,并通过实例验证了该方法的正确性及可靠性。     

对铝蜂窝夹层板Y等效模型的动力学数值仿真

按照铝蜂窝板的生产工艺,利用ANSYS建立了铝蜂窝夹层板的实体有限元模型和Y等效模型,并在蜂窝板大小、蒙皮与夹芯高度之比、夹芯胞元壁厚和夹芯胞元大小等不同情况下,计算出2种模型在四边固支条件下的固有频率。经分析对比可知,2种模型在蜂窝个数达到一定数目时,数值仿真结果具有较高一致性。