復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲、屈曲和振動特性研究.pdf

1、點陣夾芯結(jié)構(gòu)是一類具有優(yōu)異力學(xué)性能的新型輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu),其在航空、航天、船舶和交通領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的金屬材料相比,碳纖維增強復(fù)合材料具有密度低、強度高、模量大的特性,采用復(fù)合材料制備點陣夾芯結(jié)構(gòu),將使材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢相得益彰。由于復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)具有高孔隙率、周期性有序及各向異性的特點,其在剛度、強度、穩(wěn)定性和振動特性等方面都體現(xiàn)出新的特征,但目前還缺乏該方面的研究成果。本文采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗測量相結(jié)合的方法

2、,對復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)的三點彎曲、整體屈曲、自由振動及缺陷敏感性問題進行了研究,主要包括以下內(nèi)容:
　　首先研究了復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)在三點彎曲載荷作用下的剛度和強度問題。將離散的點陣芯子等效為連續(xù)均勻材料,考慮面板的彎曲和芯子的橫向剪切,推導(dǎo)了撓度的表達式。將點陣夾芯結(jié)構(gòu)看作由多跨薄板和一維桿單元構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu),分析了面板和桿件的應(yīng)力狀態(tài),推導(dǎo)了多種失效模式所對應(yīng)的臨界載荷。在此基礎(chǔ)上繪制失效機制圖,揭示了失效模式與結(jié)構(gòu)幾何尺

3、寸之間的關(guān)系。以承載效率最大化為目標(biāo),對復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計,并與金屬點陣夾芯結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)進行比較,指出了這種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢所在。
　　其次研究了復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)在面內(nèi)壓縮載荷作用下的整體屈曲問題。延用Allen提出的“折線”位移模型(該模型假設(shè)面板與芯子具有不同的轉(zhuǎn)角,且芯子的轉(zhuǎn)角是結(jié)構(gòu)橫向位移的函數(shù)),在其基礎(chǔ)上考慮了面板的層合屬性,采用能量變分方法推導(dǎo)了橫向位移的通解表達式,通過邊界條件確定通

4、解中的未知系數(shù),計算了多種典型邊界條件下夾芯結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)和臨界屈曲載荷。本文提出的方法解決了Euler理論和Timoshenko理論在夾芯結(jié)構(gòu)屈曲長度較短的情況下計算誤差偏大的問題。
　　然后對復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)的振動特性進行了理論和數(shù)值研究。Allen模型僅適用于簡支邊界條件下夾芯結(jié)構(gòu)的自由振動問題研究,為了使研究的問題更加具有普適性,本文對Allen模型加以改進,假設(shè)芯子的轉(zhuǎn)角與結(jié)構(gòu)的橫向位移是兩個獨立的函數(shù),求解了多種典

5、型邊界條件下夾芯結(jié)構(gòu)固有頻率和固有振型的解析解。建立了模擬點陣夾芯結(jié)構(gòu)自由振動特性的有限元模型,并討論了材料性能和幾何參數(shù)對復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)固有頻率的影響。
　　最后通過實驗?zāi)B(tài)分析和數(shù)值模擬方法研究了芯體材料的局部損傷對復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)振動特性的影響。討論了損傷程度、損傷位置、損傷形式和邊界條件對點陣夾芯結(jié)構(gòu)固有頻率和固有振型的影響,研究結(jié)果表明局部損傷將會降低結(jié)構(gòu)的固有頻率,并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的固有振型出現(xiàn)明顯的局部變形。該研