碳-環(huán)氧梯度點陣復(fù)合材料夾芯梁的設(shè)計與力學(xué)性能研究.pdf

1、為了減輕飛行器的重量并提高其承載能力，發(fā)展先進(jìn)輕質(zhì)材料，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化和多功能化是迫切需要解決的科學(xué)問題。復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)作為一種先進(jìn)的多孔輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于具有輕量化及多功能化特性，被公認(rèn)為是航天航空事業(yè)中最有潛力的新型材料之一。但傳統(tǒng)的點陣結(jié)構(gòu)均是由周期性單胞構(gòu)成的均勻結(jié)構(gòu)，在承受非均勻載荷的條件下，不能充分發(fā)揮其承載效率。飛行器飛行過程中其外層結(jié)構(gòu)往往受到的是集中載荷或非均勻載荷，為了進(jìn)一步提高飛行器的承載能力，本文基于仿生學(xué)原理，

2、提出了一種新型的梯度點陣復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗測試相結(jié)合的方法，對縱向和橫向梯度點陣復(fù)合材料夾芯梁的彎曲和振動性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究，具體內(nèi)容如下:
　　1.首次提出了梯度點陣的概念，通過改變單胞長度和芯子桿寬度的方法設(shè)計了兩種縱向梯度點陣夾芯梁?；贏llen夾芯梁變形假設(shè)，建立了梯度夾芯梁的力學(xué)模型，推導(dǎo)了該結(jié)構(gòu)在彎曲載荷作用下強度和剛度的理論預(yù)報公式。改進(jìn)傳統(tǒng)制備方法，提出一種能夠快速成型的自動切割及熱壓

3、一體化工藝實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的制備，并開展了相應(yīng)的彎曲實驗，驗證理論的正確性。研究了縱向梯度點陣夾芯梁幾何參數(shù)和梯度分布對其彎曲性能的影響，結(jié)果顯示，在同等質(zhì)量的情況下，梯度夾芯梁比均勻夾芯梁具有更高的彎曲強度。通過對理論公式無量綱化，繪制了縱向梯度點陣夾芯梁的失效機理圖，揭示了幾何尺寸與失效模式之間的內(nèi)在關(guān)系，并利用復(fù)合形法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
　　2.將芯體屬性等效為關(guān)于x的連續(xù)函數(shù)，建立了縱向梯度點陣夾芯梁的振動模型，采用Rayle

4、igh-Ritz法實現(xiàn)了縱向梯度點陣夾芯梁振動特性的理論求解，并通過數(shù)值模擬加以驗證。使用理論分析、有限元模擬和實驗測試相結(jié)合的方法，研究了結(jié)構(gòu)的梯度變化和幾何尺寸對梯度點陣夾芯梁固有頻率的影響，結(jié)果表明，在不增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下，通過調(diào)節(jié)梯度變化可以有目的性的增加或降低結(jié)構(gòu)的固有頻率。
　　3.已有的點陣結(jié)構(gòu)均是由等截面桿件構(gòu)成的，本文通過變截面梯形芯子代替?zhèn)鹘y(tǒng)點陣的等截面桿件，設(shè)計并制備了橫向梯度點陣夾芯梁。由于結(jié)構(gòu)特殊，傳統(tǒng)

5、的點陣?yán)碚撘巡贿m用，為此本文基于梯度單胞模型，通過貝塞爾函數(shù)和積分運算推導(dǎo)了橫向梯度點陣夾芯梁平壓和彎曲性能的理論預(yù)報公式。通過理論和實驗相結(jié)合的方法研究了梯度系數(shù)和結(jié)構(gòu)幾何尺寸對橫向梯度點陣夾芯梁力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)改變結(jié)構(gòu)的梯度系數(shù)能夠轉(zhuǎn)化其失效模式，通過分析失效機理，闡述了梯度系數(shù)與失效模式的內(nèi)在聯(lián)系。
　　4.基于等效理論建立了橫向梯度點陣夾芯梁的振動模型，采用哈密頓原理建立結(jié)構(gòu)的運動微分方程，求解了結(jié)構(gòu)的固有頻率。將