X-cor夹层结构制备与力学性能研究

论文摘要

X-cor夹层结构以其独特的结构弥补了泡沫夹层结构厚度方向性能的不足,更好地适应了航空航天等高科技领域对轻质高强材料的需求。目前国内外的研究主要是利用各种模型预报X-cor夹层结构的力学性能,较少地涉及X-cor的自动化成形及其细观结构与失效机理。本文研究了X-cor夹层结构的制备,并针对其在压缩、剪切和拉伸载荷下的响应,分别从刚度、强度和失效机理方面进行理论分析和试验研究。基于对X-cor夹层结构中Z-pin端部细观结构的显微镜观察,提出其端部树脂区椭圆形态的基本假设,进而分别建立树脂区的纤维偏离角度、长轴长度、短轴长度与Z-pin直径之间关系的模型。以X-cor夹层结构的参数化表征为研究基础,建立其几何分析模型。分别引入修正系数,改进基于均匀化理论的X-cor夹层结构的压缩和剪切模量计算模型;利用ANSYS软件分析计算其弹性性能。理论分析和试验结果相吻合,证明本文修正后的计算模型和所建立的有限元模型可计算X-cor夹层结构的弹性性能。基于弹性稳定理论,采用文克尔地基模型,引入不同的Z-pin植入角度、密度和直径的端部约束修正系数,考虑制备工艺中残余应力的影响,修正了Cartié的压缩强度计算模型;端部约束修正系数与植入角度呈线性变化。运用有限元模型,依据蔡-胡失效判据、屈曲失效判据、Von-Mises失效判据和最大应力失效判据及相应材料刚度退化规则的组合,分别研究了X-cor夹层结构的参数对其压缩、剪切和拉伸强度的影响。理论预测和试验研究所得数值基本一致,表明其可用于X-cor夹层结构强度性能的分析。根据确定的失效判据和材料刚度退化规则的组合,采用刚度退化单元模拟结构的失效过程和类型,分别研究了X-cor夹层结构压缩、剪切和拉伸的失效机理。分析表明:在压缩载荷下,树脂区和Z-pin先后失效,X-cor夹层结构的失效模式是Z-pin屈曲;在剪切载荷下,树脂区和Z-pin依次失效且多重失效模式并存;在拉伸载荷下,树脂区控制结构失效,其失效模式是Z-pin拔出面板。树脂区对结构的失效机理影响显著,失效单元的初始位置和扩展路径具有一定的分散性;Z-pin的存在改善了X-cor夹层结构的力学性能,使其与泡沫夹层结构相比具有不同的变形过程和破坏模式。有限元研究与试验结果相吻合,证明了失效机理分析方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与选题意义
• 1.2 国内外研究进展情况
• 1.2.1 X-cor 夹层结构制造技术的发展
• 1.2.2 Z-pin 增强结构细观模型的研究进展
• 1.2.3 X-cor 夹层结构刚度性能的研究进展
• 1.2.4 X-cor 夹层结构强度性能的研究进展
• 1.2.5 X-cor 夹层结构失效机理的研究进展
• 1.3 研究内容及方法
• 1.4 论文的创新点
• 第二章 X-cor 夹层结构的制备技术
• 2.1 引言
• 2.2 Z-pin 的拉挤工艺
• 2.2.1 试验装置及材料
• 2.2.2 工艺研究
• 2.3 Z-pin 的植入工艺
• 2.3.1 试验装置及材料
• 2.3.2 工艺研究
• 2.4 X-cor 夹层结构的固化工艺
• 2.4.1 试验装置及材料
• 2.4.2 工艺研究
• 2.5 X-cor 夹层结构制备工艺参数的进一步讨论
• 2.5.1 固化压力
• 2.5.2 固化温度
• 2.6 本章小结
• 第三章 X-cor 夹层结构细观结构的分析模型
• 3.1 引言
• 3.2 细观结构试验观察
• 3.3 单胞的几何模型
• 3.3.1 单胞中Z-pin 端部树脂区细观结构参数
• 3.3.2 单胞中Z-pin 体积分数的计算
• 3.4 单胞的有限元模型
• 3.4.1 单胞有限元模型的建模及材料属性的定义
• 3.4.2 网格离散化及参数调整
• 3.5 材料参数的确定
• 3.5.1 Z-pin 基本力学参数的确定
• 3.5.2 面板基本力学参数的确定
• 3.6 本章小结
• 第四章 X-cor 夹层结构的压缩性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 压缩模量的分析
• 4.2.1 数学模型
• 4.2.2 有限元模型
• 4.2.2.1 求解压缩模量的边界条件
• 4.2.2.2 压缩模量的计算
• 4.2.2.3 结构参数对压缩模量的影响
• 4.2.3 压缩模量的测试
• 4.2.3.1 试验方案及过程
• 4.2.3.2 压缩模量测试结果及分析
• 4.2.4 压缩模量的理论分析结果和试验数据对比
• 4.3 压缩强度的研究
• 4.3.1 压缩强度计算模型的改进
• 4.3.1.1 压缩强度计算模型分析
• 4.3.1.2 考虑工艺过程的计算模型
• 4.3.2 压缩强度的有限元分析
• 4.3.2.1 X-cor 夹层结构的应力场
• 4.3.2.2 压缩强度有限元分析流程
• 4.3.2.3 强度判据及材料刚度退化规则
• 4.3.2.4 压缩载荷下的失效机理
• 4.3.2.5 结构参数对压缩强度的影响
• 4.3.3 压缩强度的理论研究和试验结果对比分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 X-cor 夹层结构的剪切性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 剪切模量的分析
• 5.2.1 理论计算模型
• 5.2.2 有限元模型
• 5.2.2.1 求解剪切模量的边界条件
• 5.2.2.2 剪切模量的计算
• 5.2.2.3 结构参数对剪切模量的影响
• 5.2.3 剪切模量的测试
• 5.2.3.1 试验方案及过程
• 5.2.3.2 剪切模量测试结果及分析
• 5.2.4 剪切模量的理论计算结果和试验数据对比
• 5.3 剪切强度的研究
• 5.3.1 剪切强度的有限元分析
• 5.3.1.1 X-cor 夹层结构的应力场
• 5.3.1.2 剪切强度有限元分析流程
• 5.3.1.3 强度判据及材料刚度退化规则
• 5.3.1.4 剪切载荷下的失效机理
• 5.3.1.5 结构参数对剪切强度的影响
• 5.3.2 剪切强度的理论研究结果与试验结果对比分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 X-cor 夹层结构的拉伸性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 拉伸模量的分析
• 6.2.1 有限元模型
• 6.2.1.1 求解拉伸模量的边界条件
• 6.2.1.2 拉伸模量的计算
• 6.2.1.3 结构参数对拉伸模量的影响
• 6.2.2 拉伸模量的测试
• 6.2.2.1 试验方案及过程
• 6.2.2.2 拉伸模量测试结果及分析
• 6.2.3 拉伸模量的有限元分析结果与试验数据对比
• 6.3 拉伸强度的研究
• 6.3.1 拉伸强度的有限元分析
• 6.3.1.1 X-cor 夹层结构的应力场
• 6.3.1.2 拉伸强度有限元分析流程
• 6.3.1.3 强度判据及材料刚度退化规则
• 6.3.1.4 拉伸载荷下的失效机理
• 6.3.1.5 结构参数对拉伸强度的影响
• 6.3.2 拉伸强度的有限元研究与试验结果对比分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文