輕質(zhì)復(fù)合材料新型點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計及其力學(xué)行為研究.pdf

1、為了實現(xiàn)飛行器減輕重量、增加有效載荷的目的，發(fā)展先進輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化和多功能化是迫切需要解決的科學(xué)問題。碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)和點陣結(jié)構(gòu)兼?zhèn)漭p量化和多功能化特點，是當(dāng)前國際學(xué)術(shù)界公認的最有前景的新一代超輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)之一。在本論文中，我們開展了碳纖維復(fù)合材料三維格柵結(jié)構(gòu)、碳纖維復(fù)合材料金字塔點陣結(jié)構(gòu)、碳纖維復(fù)合材料增強型點陣結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)金字塔點陣曲面殼與圓柱殼的設(shè)計、制備及力學(xué)性能的研究工作。
　　在緒論中回顧和評述了

2、輕質(zhì)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)夾層曲面殼及圓柱殼力學(xué)行為的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，從中提煉出本課題需要解決的關(guān)鍵問題。
　　設(shè)計并制備出芯子空間貫通的碳纖維復(fù)合材料三維格柵結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了蛋殼型和金字塔型格柵結(jié)構(gòu)在平壓、側(cè)壓及三點彎曲載荷下的力學(xué)性能理論預(yù)報公式。考慮到復(fù)合材料鋪層和芯子拓撲構(gòu)型可變的特點，繪制出蛋殼型和金字塔型格柵結(jié)構(gòu)在側(cè)壓和三點彎曲載荷下的失效機制圖。開展了三種不同相對密度試驗件的平壓試驗，得到蛋殼型和金字塔

3、型格柵結(jié)構(gòu)平壓模量、平壓強度及準(zhǔn)靜態(tài)吸能特性。依據(jù)側(cè)壓失效機制圖，設(shè)計了六組典型的側(cè)壓試件，觀察到了面板起皺、格柵間局部屈曲、面板壓潰、剪切型歐拉屈曲、芯子壓潰等失效模式。針對三點彎曲失效機制圖，設(shè)計了四組典型的三點彎曲試驗件，觀察到面板起皺和面芯脫膠失效模式。面板起皺不能導(dǎo)致彎曲承載能力的急劇下降，但是會誘使面芯脫膠模式提前出現(xiàn)，面芯脫膠是結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的彎曲失效模式。
　　設(shè)計了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的組裝模具，采用模具熱壓工藝制備出碳纖

4、維復(fù)合材料金字塔點陣結(jié)構(gòu)，使得所有纖維均沿著桿件受載方向，充分發(fā)揮桿件中纖維增強的潛力。用掃描電鏡觀察了桿件典型截面的微觀組織結(jié)構(gòu)。開展了三組不同相對密度的平壓試驗，觀察到桿件歐拉屈曲、桿件斷裂、桿件分層及面芯脫膠失效模式,并與平壓理論預(yù)報結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)本文制備的金字塔點陣結(jié)構(gòu)在低密度條件下具有優(yōu)越的平壓比強度。開展了四組不同相對密度的剪切試驗，觀察到桿件歐拉屈曲、桿件分層及面芯脫膠現(xiàn)象。推導(dǎo)出金字塔點陣結(jié)構(gòu)在側(cè)壓載荷下極值的理論預(yù)

5、報公式，考慮到面板鋪層及芯子密度可變性設(shè)計三組典型的側(cè)壓試驗件，觀察到面板起皺、面板壓潰及剪切型歐拉屈曲失效模式。推導(dǎo)出金字塔點陣結(jié)構(gòu)在三點彎曲載荷下中心點撓度和極值的理論預(yù)報公式，考慮了面板壓潰、面板起皺、芯子屈曲、芯子壓潰及面芯脫膠可能的失效模式。針對不同鋪層的面板及不同相對密度的芯子，繪制了三點彎曲載荷下金字塔點陣結(jié)構(gòu)的失效機制圖，并設(shè)計了八組典型的試驗件驗證理論模型及失效機制圖的準(zhǔn)確性。研究了雙層碳纖維復(fù)合材料金字塔點陣結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)

6、靜態(tài)平壓載荷下的力學(xué)性能及吸能特性，通過對不同相對密度雙層金字塔點陣結(jié)構(gòu)的低速沖擊試驗揭示其能量吸收機理。
　　針對碳纖維復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)面芯界面性能較弱的瓶頸問題，采用電火花和激光切割工藝制備出碳纖維復(fù)合材料增強型點陣結(jié)構(gòu)。研究了激光切割工藝所制備的復(fù)合材料直柱和斜柱增強型點陣結(jié)構(gòu)在平壓及剪切載荷下的力學(xué)性能和失效機理，推導(dǎo)出預(yù)報直柱和斜柱增強型點陣結(jié)構(gòu)平壓模量、平壓強度、剪切模量及剪切強度的理論公式，并對結(jié)構(gòu)尺寸與比強度和比模

7、量之間的內(nèi)在聯(lián)系進行深入分析。試驗及理論結(jié)果發(fā)現(xiàn)增強型點陣結(jié)構(gòu)可以明顯提高點陣結(jié)構(gòu)剪切性能的瓶頸值。
　　設(shè)計并制備出輕質(zhì)復(fù)合材料金字塔點陣曲面殼及圓柱殼。其縱環(huán)筋采用7075鋁合金線切割批量成型，金字塔芯子通過環(huán)筋和縱筋嵌鎖而成，而曲面殼和圓柱殼的面板均為碳纖維復(fù)合材料。對兩種不同厚度面板的金字塔點陣曲面殼，觀察結(jié)構(gòu)的失效模式，發(fā)現(xiàn)了曲面殼獨特的M型失效模式。給出了預(yù)報曲面殼彎曲性能的理論公式，并用有限元方法對不同面板厚度的曲面