超轻多孔类蜂窝夹层结构材料设计方法综述,这篇夹层论文范文为免费优秀学术论文范文,可用于相关写作参考。
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摘 要：随着夹层结构材料在工程领域中的不断推广应用,现有夹层结构材料逐渐不能满足工程设计要求,迫切需要开发高效、节能并易于加工的新型夹层结构材料.结合重大应用背景（主要包括超轻高强金属夹层结构材料在汽车、航空航天、机械等领域的高质量、高能耗装备中的应用）,提出并构建一种新型“类蜂窝”夹层结构材料,研究夹芯层的力学性能等效方法,夹层结构的强度、刚度和固有频率特性,以及基于失效准则的结构材料一体化设计方法,为轻量化材料和结构的创新设计提供新的思路.
关键词：金属基复合材料；“类蜂窝”夹层结构；创新设计；力学性能等效方法
中图分类号：TB333文献标志码：A
《国家新材料产业“十二五”规划》明确指出：要以提高新材料自主创新能力为核心,以新型功能材料、高性能结构材料和先进复合材料为发展重点.在这种背景下,围绕中国节能和新能源汽车、高端装备制造业等战略性新兴产业对新材料的重大需求,开发低成本、高效率、资源能源节约型、环境友好型等的新型结构材料具有重要的战略意义.作为高效率、能源节约型复合材料及其结构的典型代表,夹层结构材料具有质量轻、比强度和比刚度高、稳定性好等众多优点,它将面板的高强度和高模量和夹芯的低密度和高刚性有机结合起来,在航空航天、汽车、船舶、机械、建筑等领域中有着极其重要的应用价值.
1“类蜂窝”夹层结构的概念
随着夹层结构材料在工程领域中的不断推广应用,对夹层结构材料的比强度、比刚度、稳定性、抗疲劳、耐热性、结构尺寸等性能指标提出了更高的要求,包括蜂窝夹层结构在内的传统的夹层结构材料逐渐不能满足工程设计要求,迫切需要开发新型夹层结构材料.目前,包括 Kagome,Xcore等夹层结构在内的多种新型夹层结构被提出[12],引起了国内外许多研究者的兴趣并进行深入研究.然而,这些新型夹层结构由于其夹芯层结构较为复杂,导致加工困难,使得这些新型夹层结构不能在工程中得到推广应用,并依赖于新型高精度制造工艺的开发,制造成本偏高.
目前,蜂窝夹层结构[34]是设计理论和制造工艺技术非常成熟和应用非常广的夹层结构类型之一,主要以六边形蜂窝夹芯结构（如图 1 a）所示）为主,同时包含四边形、三角形等规则蜂窝夹芯结构,广泛应用于航天飞机、船舶、汽车等运载工具,并逐步被运用到大型平板类零部件的轻量化设计中,具有广阔的市场前景.同时,针对蜂窝夹层结构的优化设计、力学性能、加工工艺、强度和刚度特性等方面的研究依然在不断深化创新.基于上述原因,针对目前成熟的蜂窝夹层结构进行改进设计或者创新构型,将具有重要的创新意义和工程应用价值.
在前期的研究基础上,从仿生学和创新构型的角度出发,本文提出了“类蜂窝”夹层结构的概念,拟通过优化排列六边形和四边形夹芯胞元,设计合适的六边形和四边形组合胞元结构,构造新型“类蜂窝”夹层结构（如图 1 b） 和图1 c）所示）.
图1六边形蜂窝夹芯结构和新型“类蜂窝”夹芯结构模型
Fig.1Models of hexagonal honeycomb core"s structure and new classhoneycomb core’s structure
为了评估“类蜂窝”夹层结构的研究价值和可行性,选取“类蜂窝”夹芯层中较为基本的六边形和四边形组合单元,定义为细胞单元体.“类蜂窝”夹芯胞元（后面简称胞元）的结构及其几何尺寸关系如图 2 所示.
图2“类蜂窝”夹芯胞元结构及其几何尺寸关系
Fig.2Structure and physical dimension of
classhoneycomb sandwich unit cell
为了对其等效力学性能进行分析,运用力的平衡原理、材料力学梁弯曲理论和质量守恒定律等相关知识,在充分考虑胞元壁板伸缩变形的前提下,建立胞元的简化模型,如图3所示,求解方法如图4所示.经推导可得到夹芯层的等效力学性能参数表达式.
图3“类蜂窝”夹芯胞元的简化模型
Fig.3Simplified model of classhoneycomb sandwich unit cell
图4胞元力学性能求解
Fig.4Solution of mechanical properties of the unit cell
为了验证理论成果的正确性和可靠性,针对类蜂窝夹芯结构（单胞/多胞元结构）进行了数值模拟研究,如图5和图6所示.研究结果较好地验证了理论公式的正确性.
图5单胞元横向/纵向加载有限元分析结果
Fig.5Finite element analysis results of horizontal/vertical load on one unit cell
图6多胞元有限元分析结果
Fig.6Finite element analysis results of multiple unit cells
初步研究成果表明,和同质量的六边形和四边形蜂窝夹层相比,创新构型的新型“类蜂窝”夹层结构具有更加优良的力学性能.因此,为了揭示“类蜂窝”夹层结构的强度、刚度、稳定性、失效性等重要性能,需要开展“类蜂窝”夹层的结构性能、材料性能及其一体化设计方法等方面的基础研究,为提高其使用可靠性提供理论和设计依据.
2国内外研究现状及发展动态分析
1849年,夹层结构概念第1次被提出[5].夹层结构第1次成功的工程应用是二战期间的蚊式轰炸机,用以减轻飞机的质量[6],自此夹层结构引起了全世界的广泛关注.目前,国内外尚未有“类蜂窝”夹层结构概念的提法,也未见类似结构及其性能的相关研究.本文主要对蜂窝夹层结构相关研究现状进行分析、总结,并在此基础上提出“类蜂窝”夹层结构的研究设想.
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