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复合材料学报 2021年第8期38卷 2605-2615页

作者：邓云飞张伟岐吴华鹏王轩杜晶中国民航大学航空工程学院天津300300

为了研究泡沫填充褶皱夹芯结构低速冲击响应特性与损伤机制,采用热压法制备了玻璃纤维增强S型褶皱夹芯板,并使用聚氨酯泡沫进行了填充,通过落锤试验机对夹芯板节点与基座两个位置进行了冲击试验。研究表明,冲击位置对泡沫填充褶皱夹芯... 详细信息

为了研究泡沫填充褶皱夹芯结构低速冲击响应特性与损伤机制,采用热压法制备了玻璃纤维增强S型褶皱夹芯板,并使用聚氨酯泡沫进行了填充,通过落锤试验机对夹芯板节点与基座两个位置进行了冲击试验。研究表明,冲击位置对泡沫填充褶皱夹芯板的失效模式存在影响。当冲击位置为节点时,夹芯板芯子以凸侧面曲面壁压溃断裂失效为主,泡沫的填充起到了提供力矩的作用。当冲击位置为基座时,夹芯板芯子以凹侧面曲面壁撕裂和凸侧面曲面壁压溃失效为主,夹芯板损伤沿板厚度方向扩展充分,导致冲击载荷均匀化。在相同冲击能量下,节点与基座冲击相比,夹芯板的最大载荷力提高,并且比较稳定。此外,节点载荷峰值产生的冲击位移较低于基座冲击。

关键词：夹芯结构褶皱芯子冲击失效机制复合材料

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复合材料褶皱夹芯结构研究进展

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复合材料学报 2020年第12期37卷 2966-2983页

作者：邓云飞曾宪智周翔李向前熊健中国民航大学航空工程学院天津300300 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨150080 上海交通大学航空航天学院上海200240 中国航发商用航空发动机有限责任公司上海200000

复合材料褶皱夹芯结构是通过二维材料折叠而成的三维周期性空间结构,作为一种新型的夹芯结构,具有轻质、高比强度、高比刚度、芯子空间贯通及多功能潜力等优势。本文结合飞行器结构轻量化和多功能化要求,对近年来复合材料褶皱夹芯结构... 详细信息

复合材料褶皱夹芯结构是通过二维材料折叠而成的三维周期性空间结构,作为一种新型的夹芯结构,具有轻质、高比强度、高比刚度、芯子空间贯通及多功能潜力等优势。本文结合飞行器结构轻量化和多功能化要求,对近年来复合材料褶皱夹芯结构的主要研究成果与特点进行了总结和分析。阐述了复合材料褶皱夹芯结构的构型优化方案及制备工艺,重点归纳了复合材料褶皱夹芯结构的力学性能及多功能的研究现状,包括结构的准静态力学性能、抗冲击性能及隔声、热防护、隐身性能等。基于国内外研究现状,对未来复合材料褶皱夹芯结构的重点研究方向进行了展望。

关键词：复合材料褶皱芯子力学性能失效机制

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褶皱夹芯曲面壳结构的抗弯性能及振动特性研究

褶皱夹芯曲面壳结构的抗弯性能及振动特性研究

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作者：阳运琪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

飞机机身通常由壁板构成,但复合材料壁板具有成型工艺复杂、装配严格,质量不易保证等特点。为此,在小型飞机的机身结构中已采用了蜂窝、泡沫等夹芯结构,然而,封闭多孔芯子材料的冲击阻抗低,且易凝结水蒸汽,上述因素制约了其应用。褶皱... 详细信息

飞机机身通常由壁板构成,但复合材料壁板具有成型工艺复杂、装配严格,质量不易保证等特点。为此,在小型飞机的机身结构中已采用了蜂窝、泡沫等夹芯结构,然而,封闭多孔芯子材料的冲击阻抗低,且易凝结水蒸汽,上述因素制约了其应用。褶皱夹芯板近期引起了学者们的关注,该结构具有高比弯曲模量、高比弯曲强度;内部流体通道可减少机身内冷凝水积聚,兼具降低机舱内噪音的作用,该夹芯板有望应用于构造大型飞机的机身结构中。本论文归纳和总结了褶皱结构的国内外研究现状,评述了褶皱结构的主要研究成果;基于顶点法的思想,对褶皱芯子曲面壳结构进行有限元建模并通过3D打印制备了试件,考查与分析了褶皱结构的在抵抗纵向弯曲载荷与横向弯曲载荷方面的力学性能及其失效模式,并对直线型波纹芯子和曲线型波纹芯子的曲面壳结构进行了对比研究。本文首先对褶皱夹芯曲面壳的建模过程与试件制备进行了研究探索,结合已有的三维折纸设计工艺,针对褶皱夹芯曲面壳结构,推导出了计算褶皱芯子各顶点坐标的几何公式,并探索出了一套结合ANSYS、MATLAB、SolidWorks与ABAQUS的有效建模方法,接着对比了目前主流的FDM(熔融沉积成型)工艺、SLA(光固化)工艺、SLS(选择性激光烧结)工艺等3D打印技术各自的优缺点,综合考虑,最终选择了断裂延展率更高的尼龙作为母材通过SLS工艺来制备实验试件。以褶皱芯子夹芯曲面壳结构为研究对象,从实验与有限元模拟两个方面对该结构的抗弯性能及其失效模式进行了研究。分别考虑了在受纵向弯曲载荷与横向弯曲载荷作用时,加载速率对褶皱芯子抗弯性能的影响。为了验证褶皱芯子结构的抗弯性能优越性,分别将褶皱芯子横向抗弯性能与纵向抗弯性能同与其相对密度近似的直线型波纹芯子和曲线型波纹芯子曲面壳结构进行比较。最后通过数值模拟的方法对褶皱芯子曲面壳结构的振动特性进行了研究分析,为了保证结果的有效性,将对曲面壳、波纹壳、波纹筒三种结构模拟所得前六阶固有频率与模态振型同文献进行了对比,接着在验证了有限元模拟方法有效准确的基础上,研究了褶皱芯子几何参数线线夹角和面面夹角对结构前四阶模态振型与频响曲线的影响。

关键词：褶皱芯子抗弯性能失效模式极限载荷振动模态

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锥柱一体化褶皱夹芯结构的设计及其力学性能分析

锥柱一体化褶皱夹芯结构的设计及其力学性能分析

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作者：田珂哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在航空航天太空探索、海洋船舶、国防装备以及民用设施等领域壳体结构被大量的使用,圆柱壳与圆台壳作为两类应用最为广泛、研究最为深入的结构,受到了大量研究人员的关注。作为两种典型的壳体结构,在使用的过程中常会受到内外压、轴压... 详细信息

在航空航天太空探索、海洋船舶、国防装备以及民用设施等领域壳体结构被大量的使用,圆柱壳与圆台壳作为两类应用最为广泛、研究最为深入的结构,受到了大量研究人员的关注。作为两种典型的壳体结构,在使用的过程中常会受到内外压、轴压、弯曲、扭转或组合载荷的作用。在不同的外界因素影响下,这类结构常常因为屈曲、轴向压缩、振动而引发破坏。因此为了提高结构性能,夹芯结构应运而生。Origami结构,一种具有多功能化的单胞结构,近年来被广泛地应用于板壳夹芯结构。基于此,本文研究设计了一种锥柱一体化的褶皱夹芯壳结构,针对该结构,本文通过数值仿真、理论分析、实验验证开展了如下研究:依据标准的Miura-Origami单胞折叠与展开原理,推导了圆柱CylinderOrigami与圆台Conical-Origami的几何变换公式。采用逆向设计方案,利用顶点法的计算方法,完成了两类褶皱结构的几何推导与算法设计。通过编程计算、三维软件建模成功设计出了具有参数可调控的一体化褶皱芯子。进一步通过数值仿真探讨了不同等效理论建模的几类褶皱芯子的受力特点和变形机制,并基于目前的Origami杆等效模型提出了梁等效模型,推导了三者单胞的刚度计算公式。理论分析了两类壳体的弹性变形行为,数值模拟了碳纤维一体化壳体的变形特点和失效模式,并通过仿真分析了一体化褶皱夹芯结构变形过程与失效模式。仿真与理论分析了夹芯壳结构在轴压载荷下的两种失效模式,给出了结构面板屈曲等效模型的简化思路并进行了验证。探究了夹芯壳结构的参数化规律,分别研究了褶皱芯子和面板参数对结构的屈曲载荷、极限载荷、固有频率和失效模式的影响,为该类结构设计与分析提供了参考依据。基于3D打印方法,采用光敏树脂材料,成功制备了锥柱一体化夹芯壳结构和褶皱芯子以及标准件。通过标准件拉伸试验给出了光敏树脂材料的基本力学性能,为有限元仿真提供了相关参数。进一步采用有限元仿真和实验探究了几类褶皱芯子的变形特点以及失效模式,并验证了理论模型的合理性。最后实验探讨了不同参数对锥柱一体化夹芯壳结构的承载特性和失效模式影响,并通过实验与有限元计算和理论分析的对比验证了结果的准确性。

关键词：锥柱一体化夹芯壳褶皱芯子结构设计理论模型压缩实验

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碳纤增强褶皱夹芯圆台壳结构设计及力学性能研究

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作者：殷乾峰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在航空航天领域,适配器是火箭和航天器段之间的接口部件,也是商用火箭的主要结构。在过去的十几年里,Origami夹芯结构逐渐得到人们的重视,并尝试将其利用到航天装备中。由于其设计的潜在用途、连续的制造工艺以及与蜂窝和泡沫相比丰富... 详细信息

在航空航天领域,适配器是火箭和航天器段之间的接口部件,也是商用火箭的主要结构。在过去的十几年里,Origami夹芯结构逐渐得到人们的重视,并尝试将其利用到航天装备中。由于其设计的潜在用途、连续的制造工艺以及与蜂窝和泡沫相比丰富的可设计参数,获得了众多学者的认可。本文设计了一种新型褶皱单元结构,即Conical-Miura单元结构,并应用于夹芯圆台壳结构中。本文将从理论模型、数值模拟和实验验证三个方面对褶皱夹芯圆台壳的力学性能进行研究。基于空间几何原理和Origami基本折叠原理,论证了Conical-Miura单元的可完全展开和可完全折叠功能,并完成了相关几何证明与推导。采用SOLIDWORKS和编程软件完成了圆台型褶皱芯子的参数化建模,并实现了芯子的折叠与展开和等效理论模型的计算。基于Origami刚性折叠假设,将铰链模型和杆件模型结合,建立了圆台型褶皱芯子的等效理论模型,用以预测其轴向刚度。通过与数值仿真结果进行对比,验证了芯子等效理论模型的可行性。从理论模型和数值仿真两方面,研究了轴压作用下褶皱夹芯圆台壳的弹性力学行为和失效模式。以内外面板中的薄壳单元为研究对象,推导出了适用于褶皱夹芯圆台壳的局部屈曲失效理论公式。从几何参数和纤维铺层两方面,分析了芯子和面板的可调参数对结构性能的影响。从极限荷载、失效模式和结构刚度等多角度进行评价,得出了不同几何参数重要性的先后顺序,并总结了不同纤维铺层对于其屈曲模式和承载能力的影响。基于复合材料热压成型方法,设计并加工了芯子和面板成型模具,探究了碳纤增强褶皱夹芯圆台壳的成型工艺与制备流程,并制备了不同参数的褶皱夹芯圆台壳。通过分析位移-荷载曲线、应变曲线和失效过程,给出了面板厚度、边界条件对褶皱夹芯圆台壳极限荷载和失效模式的影响。通过与实验结果进行对比得出,仿真模型能够准确地模拟夹芯圆台壳的局部屈曲模式和纤维断裂位置,证明了仿真模型在预测褶皱夹芯圆台壳轴压力学行为的有效性。

关键词：褶皱芯子夹芯圆台壳结构设计理论预报轴压实验

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