短切玄武岩纤维增强树脂实心甲虫板压缩与振动性能研究
作者单位：东南大学
学位级别：硕士
导师姓名：陈锦祥;张建东
授予年度：2022年
学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程]
摘 要：在当前推进建筑工业化、智能化、绿色化的大背景下,开发环保的新型功能结构材料是响应时代号召的必然之举。玄武岩纤维是一种绿色环保的高性能纤维材料,而业已证实甲虫板（BEP）是一种力学性能显著优于传统蜂窝夹层板的新型轻质夹层板结构。与此同时,泡沫填充被证明可有效提高结构力学性能和保温性能。因此为了将甲虫板推广应用到既需要轻质高强、保温隔热又需要拥有较好减振性能的航空航天等领域,本研究融合了轻质仿生结构和绿色环保材料的优势,辅以泡沫填充,对由短切玄武岩纤维增强树脂复合材料制备而成的泡沫填充壁端柱甲虫板开展压缩及振动性能研究。为此本文研发了一种一体化成型工艺,制备了PVC泡沫填充短切玄武岩纤维增强树脂复合材料壁端柱甲虫板(EBEP)和等壁厚的蜂窝板(HP)。首先利用压缩试验考察了泡沫密度和芯层高厚比对两种夹层板压缩力学性能及破坏模式的影响。其次利用模态试验获取了HP和EBEP的模态参数和振动响应,探究了二者振动性能存在差异的原因。最后通过ABAQUS对HP和EBEP的固有频率进行参数化研究,为今后EBEP的合理设计及其在航空航天等领域的推广提供参考,也为甲虫板仿生应用领域的研究抛砖引玉。主要结论如下:（1）不同泡沫密度和芯层高厚比下HP和EBEP的压缩性能研究利用所研发的一体化成型工艺制备了HP和EBEP,通过准静态压缩试验探究了不同泡沫密度和芯层高厚比下HP和EBEP的压缩力学性能和破坏模式。随着芯层高厚比和泡沫密度的同时增加,EBEP的抗压强度和吸能指标均逐渐降低,而HP则表现为先上升后下降,二者的比强度和比吸能指标均明显下降;泡沫侧向约束力大小的不同使得两种夹层板外圈和内圈蜂窝壁的破坏形态分别以45°剪切和X型破坏模式为主,在泡沫密度最低的HP的内圈蜂窝壁上,出现介于上述两种破坏模式之间的Y型破坏。在此基础上结合二者的力学特性揭示了芯层结构、泡沫密度和芯层高厚比对两种夹层板压缩性能的耦合影响机理,并发现了针对不同的夹层结构存在一个最佳的泡沫填充密度。（2）HP和EBEP的振动性能研究通过模态试验获取了HP和EBEP固有频率、振型、阻尼比和加速度响应等振动性能。EBEP的一、二阶固有频率分别与HP相当接近,二者前两阶振型同为弯曲和扭转振型。但EBEP振动响应显著低于HP,而阻尼比显著提高。因此EBEP拥有更好的减振性能并能在工程中直接替换HP。进一步地,从剪切刚度角度揭示了泡沫填充的增强效果以及EBEP拥有更优秀的振动性能的内在影响机制:泡沫填充增强了整体芯层结构剪切刚度,且泡沫对HP的剪切刚度增强作用更好;同时降低了面板和芯层骨架的承剪比例,对芯层骨架和面板起到了积极的保护作用,也进一步增强了二者的动力性能。而EBEP芯层等效截面面积高于HP,使得EBEP芯层有更高的剪切刚度,一方面使其骨架承剪比例高于HP,另一方面也导致其振动响应优于HP。此外,EBEP芯层有更低的单位体积剪切应变能,内部产生更剧烈的摩擦,从而使其具有更高的阻尼比。（3）不同结构参数对EBEP固有频率的影响效果研究通过ABAQUS对EBEP进行数值模拟,利用均值分析法探究了面板厚度T_f、芯层高厚比β、泡沫密度ρ、板材长宽比a/b等参数对其固有频率的影响程度和基本影响规律。长宽比影响最为显著,泡沫密度影响最弱。以HP为对比,细化各参数研究范围,详细阐述了上述各个参数对HP和EBEP前两阶固有频率的影响规律及其内在影响机制。结构参数变化对HP和EBEP固有频率影响程度相近,EBEP固有频率始终略低于HP。基于前述影响规律,提出了针对EBEP的设计建议。最后基于相同结构参数下EBEP固有频率与HP接近,却拥有更好的力学性能和更低的振动响应的特性,阐述了EBEP在减振抗震结构中替换传统泡沫夹层结构的可行性及其优势,为EBEP在工程实践中的推广应用提供参考。
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