高刚度特定热膨胀行为的点阵复合材料与结构设计

作     者：梁宇静 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张永存

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：特定热膨胀系数 高刚度 点阵材料 多功能设计 

摘      要：热膨胀系数(CTE)是量化材料热行为的重要物理参数,用于表征由于环境温度变化而导致材料/结构体积与形状的变化。为避免在温度剧烈变化下服役的高精密结构丧失原有的设计精度,迫切需要发展零/低膨胀材料;为避免非协调热膨胀的多材料构件相互分离而破坏结构的完整性从而导致功能失效,需要发展特定膨胀系数的材料;为实现热作动器等结构在温度变化时产生更大的驱动力,则需要发展大膨胀系数的材料。另外,为满足结构的承载需求,要求材料具有一定的刚度。因此,研究在高刚度的条件下具有特定热膨胀性能的材料是非常必要的。通过调整材料的组分、分布以及微结构形式能够实现特定热膨胀和高刚度的点阵复合材料的设计;增材制造为该类复合材料的精准制备提供了强有力的支撑。因此,如何设计微结构形式,使材料或结构能够在具有特定热膨胀系数的同时保持良好的力学性能,成为该方向研究的核心问题。基于这种需求,本文提出了两种可实现任意热膨胀系数的点阵复合材料和一种面内零膨胀的三明治点阵板结构。具体的研究内容和结论如下:(1)可实现任意热膨胀系数的点阵复合材料设计。由双层异种材料梁单元构成的三角形点阵复合材料(Lehman-Lakes)具有高刚度和良好的热膨胀可设计性。然而,该类材料实现热膨胀的可设计性要求角点必须为铰接,此要求为制备带来了困难,特别是在微尺度条件下。本章提出了具有高刚度和任意热膨胀系数的角点固接点阵复合材料(JTC LM),能够方便地通过增材制造进行制备,通过参数设计能够使点阵复合材料实现特定热膨胀性能和高刚度。推导了JTCLM单胞的等效热膨胀系数和等效弹性模量的理论计算公式,并通过数值仿真验证了其有效性。以Invar和Steel组成的点阵复合材料为例,JTCLM单胞相比于Lehman-Lakes单胞,当实现零膨胀特性时,在减重17%的基础上,刚度提升34.2%;在保持刚度不变(略有降低)的情况下,可实现大膨胀系数的点阵复合材料设计。(2)考虑热膨胀行为与刚度提升的手性点阵复合材料设计。为提升JTCLM单胞的刚度特性,本章提出了一种基于双材料梁单元反对称变形的三角形手性点阵复合材料新构型,相比于最优的Lehman-Lakes单胞,当实现零膨胀特性时,刚度提升2.9倍,减重3%;当实现大膨胀系数时,刚度提升1.2倍,减重5%;与JTCLM单胞相比,当实现零膨胀特性时,刚度提升2.2倍。另外,给出了热力耦合分析的解析模型,通过详细的数值分析方法,验证了分析模型和优化设计结果的有效性,揭示了实现刚度提升的机制。(3)面内零膨胀三明治夹层面板的单胞结构设计。基于第二章提出的能够实现零膨胀的机理,提出了一种能够实现面内零膨胀的三明治夹芯面板结构设计,有望用于热防护结构的外部,承受气动载荷。推导了三明治夹层面板面内单向零膨胀的理论计算公式,讨论了单胞的微结构参数对等效热膨胀系数的影响,揭示了其影响规律。在此基础上,将单向零膨胀结构的实现机理扩展到双向零膨胀结构,通过微结构的参数分析,发现了能够实现面内零膨胀的微结构参数。