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类蜂窝结构面内动力学参数解析表征及调控

类蜂窝结构面内动力学参数解析表征及调控

作者：常乐中南大学

学位级别：硕士

类蜂窝结构是由一定结构的单胞周期性排布而成的一种周期结构,具有低密度、高强度、高刚度的特性。精细的类蜂窝结构设计解决了轻量化和高性能之间的矛盾,因而类蜂窝结构被广泛地应用到了航空航天、航海、交通、国防等多个领域。在类蜂... 详细信息

类蜂窝结构是由一定结构的单胞周期性排布而成的一种周期结构,具有低密度、高强度、高刚度的特性。精细的类蜂窝结构设计解决了轻量化和高性能之间的矛盾,因而类蜂窝结构被广泛地应用到了航空航天、航海、交通、国防等多个领域。在类蜂窝结构的设计研发过程中,通过调整类蜂窝结构单胞参数来改善整体力学性能,带来可观的轻量化实现、安全性、舒适性,从而提升产品经济效益和市场竞争力。因此,准确地表征单胞参数和类蜂窝性能的关系是调控研究的前提。本文依据动刚度法建立梁解析动力学模型,结合周期边界条件推导出类蜂窝结构面内闭式等效参数表达式,给类蜂窝结构面内动力学参数表征提供一个统一的框架。以此为基础,充分利用变截面梁的特殊动力学性能,研究不同设计参数对动力学参数的调控;利用预应力显著影响等效刚度的机理研究了预应力等参数对动力学参数的调控。故本文所研究梁包括类蜂窝均匀梁,类蜂窝变截面梁和类蜂窝预应力梁三种类型,主要包括以下三项研究内容:(1)研究预应力类蜂窝结构面内等效动力学参数调控。首先由单胞法推导类蜂窝结构面内等效力学参数与类蜂窝梁刚度矩阵的关系,并基于欧拉-伯努利理论的运动控制微分方程,推导预应力作用下类蜂窝结构的梁动刚度矩阵。结合这两种方法,用动刚度矩阵解析表征预应力下类蜂窝结构面内等效力学参数,并对比有限元法进行验证。并在满足结构稳定性的前提下,分析类蜂窝结构面内等效力学参数的预应力调控性和预应力作用前提下的几何参数调控性。(2)建立类蜂窝变截面梁结构准确动刚度解析模型。基于欧拉-伯努利理论的运动控制微分方程,推导了一种用于分析多种变截面梁横向自由振动的宽频域准确单元动刚度矩阵。本模型的弯曲刚度和线密度均为位置坐标的多项式函数,这使得该模型可以被用于模拟大范围的变截面梁。通过单元组装过程建模单个梁和多种梁组合梁组合。采用有限元法对动刚度法对比验证,体现了本方法的准确、高效和通用性。(3)研究变截面类蜂窝结构面内等效动力学参数调控。将所推导的变截面梁单元动刚度矩阵代入类蜂窝结构等效力学参数解析表达式,以此得到变截面类蜂窝面内等效动态力学参数。研究变截面率对等效动力学参数的影响。提出高次变截面模型的一般建模方法,对比多种变截面类型,基于等质量研究类蜂窝梁截面类型变化对等效力学参数的调控性。研究成果不仅可以发展类蜂窝结构等效参数的相关基础理论,其参数调控可以为类蜂窝结构工程应用提供理论支持,具有一定的理论意义和实用价值。图55幅,表22个,参考文献99篇。

关键词：类蜂窝结构单胞法动刚度法预应力调控变截面调控

类蜂窝复合夹层结构的力学特性及其在精密机床上的应用

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西安交通大学学报 2019年第5期53卷 123-131页

作者：黄华李源郭润兰兰州理工大学机电工程学院兰州730000

为提高加工中心中立柱的静、动刚度及热刚度,提出一种类蜂窝胞元结构,并应用该结构对加工中心的关键部件进行重新设计。首先,针对蜂窝结构在共面方向承载力不足的问题,以传统六边形蜂窝胞元为对象,在外侧构建保护壁,构成类蜂窝结构,力... 详细信息

为提高加工中心中立柱的静、动刚度及热刚度,提出一种类蜂窝胞元结构,并应用该结构对加工中心的关键部件进行重新设计。首先,针对蜂窝结构在共面方向承载力不足的问题,以传统六边形蜂窝胞元为对象,在外侧构建保护壁,构成类蜂窝结构,力学特性及仿真分析表明,强化后的结构具有更好的比刚度和承载性。其次,将机床立柱结构分为横梁和立柱两部分,将类蜂窝填充结构分别与"米"字形或"井"字形填充结构进行了对比分析,从定性和定量的角度评判方案的优劣。最后,计算了刀具在实际工况下的受力及主轴箱、导轨等处的生热状况,将力载荷和热载荷施加在立柱上,并对重新设计后的立柱进行了静、动力学分析及散热性能分析。结果表明:较"井"字形填充结构,类蜂窝填充结构的立柱质量减小了4.21%,沿z轴的变形下降了39.5%,一阶固有频率提高了29.22%,热稳态时间减少了81.39%。

关键词：精密机床类蜂窝结构比刚度立柱热载荷散热性能

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泡沫填充类蜂窝夹层结构的耐撞性

武汉科技大学学报 2021年第1期44卷 20-26页

作者：李响曹祥斌杨蔚华李林三峡大学机器人与智能系统宜昌市重点实验室湖北宜昌443002 三峡大学机械与动力学院湖北宜昌443002 湖北力帝机床股份有限公司湖北宜昌443005

本文创新构型一种聚氨酯泡沫填充类蜂窝夹芯结构,取类蜂窝胞元壁厚分别为0.3、0.5、1.0 mm,运用数值模拟方法对该填充结构在不同冲击速度作用下的耐撞性进行了系统研究,并分析了类蜂窝胞元壁厚对结构耐撞性及变形机制的影响。结果表明,... 详细信息

本文创新构型一种聚氨酯泡沫填充类蜂窝夹芯结构,取类蜂窝胞元壁厚分别为0.3、0.5、1.0 mm,运用数值模拟方法对该填充结构在不同冲击速度作用下的耐撞性进行了系统研究,并分析了类蜂窝胞元壁厚对结构耐撞性及变形机制的影响。结果表明,在7、14、33 m/s冲击载荷作用下,类蜂窝胞元壁厚为0.3 mm填充结构的比吸能、载荷稳定性及吸能效率要高于其他两种壁厚结构的相应值,此条件下填充结构的耐撞性最优,胞元壁厚为0.5 mm结构的耐撞性次之。对于该泡沫填充类蜂窝结构而言,减小类蜂窝胞元壁厚能显著提升结构的载荷稳定性,在相同胞元壁厚条件下,填充结构在低速载荷冲击作用下表现出了比中、高速冲击作用下更优的载荷稳定性和吸能效率。

关键词：类蜂窝结构聚氨酯泡沫泡沫填充耐撞性面内冲击比吸能有限元分析

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内旋层级类蜂窝结构的面外力学性能

高压物理学报 2023年第1期37卷 94-105页

作者：孔志成胡俊郝英奇安徽建筑大学土木工程学院安徽合肥230601

结合几何学的胞元设计思路,提出了一种新型多胞结构—内旋层级类蜂窝(intorsion hierarchical honeycomb-like,IHH)结构,通过数值模拟方法对其面外力学性能和变形特征进行深入研究,并与普通蜂窝结构、填充圆管的蜂窝结构进行了比较。研... 详细信息

结合几何学的胞元设计思路,提出了一种新型多胞结构—内旋层级类蜂窝(intorsion hierarchical honeycomb-like,IHH)结构,通过数值模拟方法对其面外力学性能和变形特征进行深入研究,并与普通蜂窝结构、填充圆管的蜂窝结构进行了比较。研究发现,采用内旋层级设计的多胞结构,其胞元内部产生了独特的约束效果,在多层级设计条件下,可以进一步加强这种约束效果,从而提高结构的力学性能。此外,通过开展参数化研究,以揭示相对密度变化对结构性能的影响;基于简化超级折叠单元理论,建立了内旋层级类蜂窝结构的理论模型。结果表明,内旋层级类蜂窝结构在渐进式折叠变形模式下表现出最佳的吸能效率,理论模型能够有效地预测内旋层级类蜂窝结构的平台应力。研究结果可为多胞结构性能优化设计提供指导。

关键词：类蜂窝结构内旋层级设计力学行为能量吸收参数化研究

新型六角类蜂窝结构的异面压缩吸能特性（英文）

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Journal of Central South University 2020年第2期27卷 621-628页

作者：王中钢施冲丁叁叁梁习锋 CRRC Qingdao Sifang Co. Ltd.Qingdao 266111China Key Laboratory of Traffic Safety on Track(Ministry of Education) School of Traffic and Transportation EngineeringCentral South UniversityChangsha 410075China

探寻更优力学性能的轻质新颖结构一直是轨道车辆耐撞性设计持续追求的目标。为此,分析了三种增强型类蜂窝结构的异面压缩吸能特性,包括三角增强型、双层增强型和全填充增强型。基于最小能量原理构建了各型增强蜂窝结构的平均力、比吸能... 详细信息

探寻更优力学性能的轻质新颖结构一直是轨道车辆耐撞性设计持续追求的目标。为此,分析了三种增强型类蜂窝结构的异面压缩吸能特性,包括三角增强型、双层增强型和全填充增强型。基于最小能量原理构建了各型增强蜂窝结构的平均力、比吸能的理论表达式,并采用显式有限元数值模拟方法验证,结果吻合较好。所得结果表明:此三型类蜂窝结构维持了与常规蜂窝结构一致的压缩历程;胞元增强可显著提升类蜂窝结构的平台载荷与比吸能;相比于其它增强形式,全填充增强型类蜂窝结构与双层增强型结构具有相当的比吸能,但其平台载荷更高;折角单元环形曲面可耗散更多的塑性能,应考虑增加更多折角单元以提升耗能水平。所得结果为轻质多孔高性能能量吸能装置设计提供参考。

关键词：类蜂窝结构耐撞性基本折叠单元结构增强

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冲击荷载下类蜂窝结构的动态压缩特性研究

湖北理工学院学报 2021年第2期37卷 48-52页

作者：陈旺龙胡俊安徽建筑大学土木工程学院安徽合肥230601

为了解不同排列组合形式对蜂窝结构动态压缩性能的影响,将3个菱形蜂窝胞元以新的排列组合形成胞元结构,并以菱形类蜂窝结构为模型,采用显式动力有限元ABAQUS模拟分析了菱形类蜂窝结构的动态压缩性能和吸能特性。此外,研究了菱形类蜂窝... 详细信息

为了解不同排列组合形式对蜂窝结构动态压缩性能的影响,将3个菱形蜂窝胞元以新的排列组合形成胞元结构,并以菱形类蜂窝结构为模型,采用显式动力有限元ABAQUS模拟分析了菱形类蜂窝结构的动态压缩性能和吸能特性。此外,研究了菱形类蜂窝结构在不同冲击速度下的变形特性和能量吸收缓冲能力,并在同样条件下将常见的菱形蜂窝结构与菱形类蜂窝结构的变形及吸能特性进行比较。模拟结果表明:低速(v=15 m/s)冲击荷载作用下的菱形类蜂窝胞元先后呈现“X”型、“K”型及“一”型破坏,高速(v=70 m/s)冲击荷载作用下的菱形类蜂窝结构首先从冲击端开始破坏,随着冲击荷载持续施加而呈现“一”型,且随着惯性作用逐步扩展到固定端;随着冲击荷载的增大,类蜂窝结构的缓冲变形和能量吸收能力明显弱于菱形蜂窝结构。

关键词：类蜂窝结构菱形蜂窝结构动态压缩冲击荷载

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钛表面夹层薄膜对微小碎片撞击防护的影响

表面技术 2018年第5期47卷 15-21页

作者：张婷婷杨桂民魏强罗栋元白羽天津大学材料科学与工程学院天津300350 北京卫星环境工程研究所北京100094

目的提高航天器材料表面空间微小碎片的防护能力。方法基体采用高纯钛。以氟化铵的乙二醇溶液为电解液,采用阳极氧化法在钛表面制备类蜂窝状TiO_2纳米管阵列夹层;用氢氧化钠溶液,通过碱热处理方法,在钛表面制备泡沫状多孔结构夹层。再... 详细信息

目的提高航天器材料表面空间微小碎片的防护能力。方法基体采用高纯钛。以氟化铵的乙二醇溶液为电解液,采用阳极氧化法在钛表面制备类蜂窝状TiO_2纳米管阵列夹层;用氢氧化钠溶液,通过碱热处理方法,在钛表面制备泡沫状多孔结构夹层。再采用溶胶凝胶方法制备SiO_2表板覆层,最终在钛表面形成具有类蜂窝状纳米管阵列夹层和泡沫状多孔结构夹层的两种防护膜层体系。通过扫描电子显微镜、超景深三维体式显微镜分析表面形貌;采用激光驱动飞片模拟碎片撞击试验,评价膜层对微小碎片撞击防护的效果;用纳米压痕仪测定材料表面载荷-深度曲线,评价表面力学性能。结果钛金属表面具有类蜂窝状纳米管阵列和泡沫状多孔结构夹层时,表面接触刚度可明显降低,提高了外力作用下的接触变形能力。受到高速撞击时,可以较好地吸收高速撞击产生的能量,对高速撞击有一定的防护作用。结论在钛表面制备了TiO_2纳米管阵列/SiO_2和多孔结构/SiO_2两种复合防护膜系,可以有效提高表面抗冲击能力。开展表面膜层结构化设计,是对空间微小碎片表面防护的有益探索,对于空间微小碎片防护具有重要意义。

关键词：空间微小碎片类蜂窝结构泡沫结构激光驱动飞片纳米压痕

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基于响应性光子带隙的结构色薄膜制备及应用

基于响应性光子带隙的结构色薄膜制备及应用

作者：李新华燕山大学

学位级别：硕士

颜色是生物界信息传播和交流的基础,在整个自然界的发展中起到了至关重要的作用。通过设计光子带隙结构对可见光进行调控可实现对颜色的调控,从而实现环保、高亮度和高饱和度的结构色。本文使用有限元分析软件COMSOL Multiphysics仿真... 详细信息

颜色是生物界信息传播和交流的基础,在整个自然界的发展中起到了至关重要的作用。通过设计光子带隙结构对可见光进行调控可实现对颜色的调控,从而实现环保、高亮度和高饱和度的结构色。本文使用有限元分析软件COMSOL Multiphysics仿真计算了二维和三维光子带隙结构尺寸对结构生色的影响。结合仿真结果制备了响应性光子带隙结构色薄膜,并对薄膜的特性进行研究、分析与应用。首先,介绍了结构色的基本机理和特性,并分析了不同光子带隙结构产生结构色的基本方式,以及基材自身特性与刺激响应性变色的关系。介绍了有限元方法的基本模型和COMSOL Multiphysics软件波动光学模块的基本操作流程,为下一步模型的建立和仿真计算打下基础。其次,利用COMSOL Multiphysics软件仿真计算,验证了类蜂窝二维光子带隙和蛋白石与反蛋白石三维光子带隙结构在结构生色的可行性。对于不同光子带隙结构,研究了各尺寸参数及层数变化对结构生色的影响。数据表明,各光子带隙在可见光谱范围内均有较好的反射峰,能够实现优异的结构显色。最后,根据仿真结果,利用蒸发组装法和浸渍法制备了二氧化硅(SiO)蛋白石,经填充SiO蛋白石结构制备了环氧树脂蛋白石结构色薄膜,利用牺牲模板法制备了环氧树脂反蛋白石结构色薄膜,并通过在薄膜背部添加炭黑层提高了结构色的纯度。实验结果表明反蛋白石薄膜具有应力响应性、溶液响应性变色及光子带隙结构可重构的特性。据此实现了薄膜在可重写光子晶体纸领域的应用。制备的重写纸拥有两种重写方式。经过重复实验验证了实验方法的可行性和稳定性,制备的薄膜在防伪、传感、反射式显示等领域均有广阔的应用前景。

关键词：结构色光子带隙类蜂窝结构 SiO2蛋白石结构环氧树脂蛋白石结构环氧树脂反蛋白石结构

基于复合材料的加工中心关键结构件设计及多目标质量匹配优化

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基于复合材料的加工中心关键结构件设计及多目标质量匹配优化

作者：李源兰州理工大学

学位级别：硕士

现代制造业对机床设备的精度、动态稳定性和热稳定性要求日益提高,而传统铸铁材料越来越不能满足这些要求。在这种情况下,复合材料作为一种新兴材料,因其质量轻、阻尼较高及散热性好等优点,显示出替代铸铁成为机床结构件常用材料的巨大... 详细信息

现代制造业对机床设备的精度、动态稳定性和热稳定性要求日益提高,而传统铸铁材料越来越不能满足这些要求。在这种情况下,复合材料作为一种新兴材料,因其质量轻、阻尼较高及散热性好等优点,显示出替代铸铁成为机床结构件常用材料的巨大潜力。本文将采用不同的复合材料对加工中心的床身、立柱和工作台进行改进优化设计,并基于质量匹配法对整机动态特性进行优化以提升机床的整体性能。具体的研究内容如下:首先,以HMC630卧式加工中心床身为研究对象,采用基于“三明治”式的复合结构对其进行改进优化设计,提取关键设计变量并搭建CAD/CAE集成框架,对试验样本点完成响应值计算,建立响应面模型,在此基础上运用iSIGHT软件集成Matlab插件搭建多目标优化框架,完成对复合结构床身质量、变形、低阶固有频率及成本的多目标优化,并进一步对优化后的床身结构进行热态特性分析,研究其热稳定性。其次,针对复合结构床身中外层钢板与内层混凝土之间结合面刚度较低的问题,进行栓钉连接件设计。通过对单钉连接件的受力机理分析,结合剪力、弯矩及载荷集度之间的微分关系,建立了单栓钉抗剪刚度力学模型。接着,对影响单栓钉抗剪刚度的关键因素进行进一步分析,在此基础上,研究群钉效应下各栓钉平均抗剪刚度的变化及栓钉数目和栓钉间距对群钉效应的影响,为“三明治”式复合结构内外层之间连接件的设计提供理论依据。然后,针对机床移动件轻质、高强的要求,采用了改进的类蜂窝结构进行立柱、工作台移动件的设计。第一步,为改善传统六边形蜂窝材料在共面方向的承载性能,在六边形蜂窝胞元结构外侧构建非等厚保护壁,形成类蜂窝胞元结构,并通过等效弹性模量计算和有限元仿真进行验证。第二步,通过有限元静动态和散热性能分析,表明改进后的填充结构在确保静动态特性的基础上,减轻了结构件质量,并提高散热性。最后,基于质量匹配法,研究不同结构件质量对整机动态特性的影响程度,构建了各结构件质量与整机前三阶固有频率间的响应面模型。当各结构件质量同时改变时,通过灵敏度分析并识别关键影响因素,基于iSIGHT平台完成多目标优化,得到整机动态性能最优时床身质量、立柱质量及工作台质量的最佳分布方案。

关键词：复合结构类蜂窝结构多目标优化质量匹配 iSIGHT