PMI泡沫壳体夹层结构设计及力学性能研究

论文摘要

聚甲基丙烯酸亚胺(PMI)泡沫夹层结构整体具有很高的比强度,较大的比刚度,同时还具有优异的隔热与透波功能,越来越多地应用于大型客机、火箭整流罩、载人飞船和卫星舱段等诸多技术领域。随着航空航天科技深入发展,对于结构设计与材料的性能要求也在不断提高,使得夹层材料尤其是工艺性能十分稳定的泡沫夹层材料越来越有发展前景。本文主要研究PMI泡沫/玻璃钢复合舱段的结构与设计优化。首先以乙二胺为固化剂,并用D230(聚醚胺)对环氧树脂体系进行增韧改性。纯乙二胺固化的环氧树脂为脆性材料,当加入D230以后,由于D230的C链比乙二胺长,可以有效的增加浇注体网络空间,使交联点的密度降低。通过以上改进,制造出强度高、缺陷少、韧性好的环氧树脂浇注体。再通过三点弯曲、拉伸等实验验证得到,当D230的比例为20%的时候,浇注体的强度达到最佳,并且达到了很好的增韧效果。对断口进行扫描,进一步分析了D230的改性效果。对浇注体进行了热重法(TG)试验,得到浇注体的分解温度在260℃以上,完全达到舱段的热环境使用要求。选取聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)作为夹层结构的芯材。制备了PMI/玻璃钢夹层结构。同时通过夹层结构侧压、三点弯曲等基本力学性能实验,对PMI泡沫夹层结构的力学性能进行了分析。同时,对纤维面板铺层、PMI泡沫密度、纤维面板的厚度等影响因素进行了规律性分析。最后,以某一型号的火箭舱段为背景,利用有限元软件Patran进行对圆柱壳和圆锥壳夹层结构进行模拟设计,并在模拟设计中对夹层结构进行了加筋处理,加大了整体的刚度。对加筋后的夹层结构进行了屈曲分析,同时考察了面板厚度、纤维铺层角度以及PMI泡沫密度对夹层结构力学性能的影响规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 PMI泡沫夹层结构的特点及应用
• 1.2.2 PMI泡沫夹层结构加筋设计研究进展
• 1.2.3 PMI泡沫夹层结构的破坏模式及原因
• 1.2.4 PMI泡沫夹层结构国内外研究现状
• 1.2.5 夹层结构及加筋优化的国内外研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 测试方法及实验材料
• 2.1 实验原材料
• 2.2 实验内容
• 第3章 环氧树脂基体制备与评价
• 3.1 引言
• 3.2 环氧树脂固化机理
• 3.2.1 环氧树脂概述
• 3.2.2 环氧树脂固化剂概述
• 3.2.3 环氧树脂的固化机理
• 3.3 固化剂选择方案
• 3.3.1 固化反应的产物
• 3.3.2 固化剂比例计算
• 3.4 红外光谱测试
• 3.4.1 红外光谱吸收原理
• 3.4.2 红外光谱分析
• 3.5 浇注体力学性能测试
• 3.5.1 浇注体弯曲性能分析
• 3.5.2 浇注体拉伸性能分析
• 3.6 浇注体断裂性能分析
• 3.7 浇注体热重和差热分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 PMI泡沫夹层结构制备及力学性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 PMI泡沫夹层结构制备
• 4.2.1 夹层结构面板纤维的选择
• 4.2.2 夹层结构芯子的选择
• 4.2.3 夹层结构胶黏剂的选择
• 4.2.4 PMI泡沫夹层结构制作工艺
• 4.3 PMI泡沫夹层结构弯曲性能分析
• 4.4 PMI泡沫夹层结构侧压性能分析
• 4.5 PMI泡沫夹层结构力学性能的影响因素
• 4.5.1 面板厚度的影响
• 4.5.2 面板铺层角度的影响
• 4.5.3 PMI泡沫密度的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 壳体夹层结构屈曲分析
• 5.1 引言
• 5.2 夹层结构模型
• 5.3 面板的材料常数确定
• 5.4 夹层结构屈曲分析
• 5.4.1 屈曲分析
• 5.4.2 夹层结构刚度计算
• 5.5 夹层结构加筋板的屈曲分析
• 5.5.1 加筋结构简介
• 5.5.2 模型建立
• 5.5.3 边界条件
• 5.6 加筋壳的屈曲分析
• 5.6.1 蒙皮的弹性模量的修正
• 5.6.2 加筋壳的屈曲计算
• 5.7 夹层加筋结构影响因素
• 5.7.1 面板铺层角度的影响
• 5.7.2 加筋结构宽厚比的影响
• 5.7.3 PMI泡沫芯子密度的影响
• 5.8 加筋壳结构整体刚度计算
• 5.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢