金属蜂窝夹芯板力热耦合作用下的数值模拟

论文摘要

金属蜂窝夹芯结构以其重量轻、比强度比刚度大、可设计性强等优点,成为航空航天、船舶等领域中不可缺少的材料之一。在作为换热器衬板、热防护系统部件等工程应用中,其力学性能不可避免地受到高温影响,基于此本文对金属蜂窝夹芯结构进行常温、高温下的三点弯曲力学性能研究。本文主要工作如下：首先,阐述了蜂窝夹芯结构的基本等效方法以及计算模型,从理论上分析了金属蜂窝夹芯结构在三点弯曲下的力学性能,推导出蜂窝芯子的等效剪切模量,分析了芯子剪切应力状态。其次,应用有限元软件对金属蜂窝夹芯板的三点弯曲试验进行了数值仿真模拟,对比了蜂窝芯子的两个排列方向对结构强度的影响,考虑了网格划分对数值模拟计算结果的影响,并对金属蜂窝夹芯板进行了等效模拟,分析了金属蜂窝夹芯板与等效板之间的应力状态的差别。然后,通过两端固支的金属蜂窝夹芯板热载荷下膨胀的数值模拟,以及高温下金属蜂窝夹芯板的三点弯曲试验的数值模拟,分析了高温-恒温环境下,热应力、弹性常数对金属蜂窝夹芯结构的力学性能所产生的影响,并对常温和高温下的数值模拟结果进行了比较分析；最后对金属蜂窝夹芯结构进行了优化设计分析,在满足强度、刚度的前提下,以蜂窝夹芯结构的面板厚度与芯子壁的厚度为设计变量,蜂窝夹芯板整体重量为目标函数,得到其重量最优解。研究结果表明：对于钢质钎焊蜂窝夹芯结构,在三点弯曲载荷下,L向试件比W向试件的强度要高10%,芯子的剪应力较之等效后均质结构试件的剪应力要大,但满足剪切强度要求；高温弯曲中结构主要以产生大变形而失效,呈现明显的塑性变形,而断裂不明显；通过优化设计,在满足强度和刚度要求下,得到了最小重量的金属蜂窝夹芯结构的几何尺寸；数值模拟结果与理论计算结果及相关试验结果一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 蜂窝夹芯板的结构和性能特点
• 1.2.1 结构特点
• 1.2.2 性能特点
• 1.3 蜂窝夹芯板目前的研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 蜂窝夹芯板的等效理论
• 2.1 引言
• 2.2 蜂窝板的等效方法
• 2.2.1 三明治夹芯板理论
• 2.2.2 蜂窝板理论
• 2.2.3 等效板理论
• 2.3 基本假设和计算模型
• 2.3.1 基本假设
• 2.3.2 计算模型
• 2.4 蜂窝夹芯板的三点弯曲力学性能分析
• 2.4.1 梁式模型三点弯曲分析
• 2.4.2 芯层面外等效剪切模量分析
• 2.4.3 蜂窝芯子剪力分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 金属蜂窝板常温下的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.1.1 有限单元法
• 3.1.2 ANSYS软件简介
• 3.2 蜂窝夹芯板常温下的三点弯曲数值模拟
• 3.2.1 结构常数
• 3.2.2 模拟计算
• 3.2.3 网格尺寸对计算结果的影响
• 3.3 等效后的各向同性均质板
• 3.4 结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 金属蜂窝夹芯板的高温数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 蜂窝夹芯板的热力学理论基础
• 4.2.1 热力学理论分析
• 4.2.2 高温对金属材料力学性能的影响
• 4.3 金属蜂窝夹芯板热力耦合数值模拟
• 4.3.1 两端固支的金属蜂窝夹芯板的热应力分析
• 4.3.2 金属蜂窝夹芯板三点弯曲下的热应力分析
• 4.3.3 金属蜂窝夹芯板不同温度下的数值模拟
• 4.4 本章小节
• 第5章 金属蜂窝夹芯板的优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 优化设计的理论分析
• 5.3 金属蜂窝夹芯板的优化设计
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢