夹芯结构复合材料弹性力学性能预测与试验研究

论文摘要

夹芯结构复合材料以其轻质、高强及一系列功能性等优点而得到研究者的青睐。随着夹芯结构在工程上的广泛应用,尤其是在航空、航天和航海领域上应用范围的不断扩大,对其力学性能的分析、结构设计和计算的研究也不断深入。本文以波纹芯材夹芯结构和格构芯材夹芯结构复合材料为研究对象,通过对现有理论研究的分析总结,推导并验证了两种夹芯结构复合材料的等效力学模型。首先,根据波纹芯材夹芯结构和格构芯材夹芯结构复合材料的特点,选取其具有代表性的胞元,对两种夹芯结构进行力学分析,推导了其弹性模量的等效表达式,包括面内及面外杨氏模量、剪切模量、泊松比和相当密度。其次,利用有限元计算方法,以当前广泛应用于复合材料性能研究的大型通用有限元软件——ANSYS作为平台,对波纹芯材夹芯结构和格构芯材夹芯结构复合材料分别建立实体有限元模型,通过计算机数值模拟计算,对两种夹芯结构的相关力学性能进行模拟。通过选定具体的几何尺寸和材料参数,模拟计算出两种夹芯结构的弹性模量、剪切模量和泊松比,将模拟计算结果与理论推导的计算结果比较,验证了等效力学模型的合理性和准确性。最后,从夹芯结构的实际情况出发,对波纹芯材夹芯结构和格构芯材夹芯结构复合材料进行了相关力学性能试验,测量了结构的弹性模量。将试验结果与理论计算结果对比,再次验证了针对两种夹芯结构建立的等效力学模的正确性,确保其具有一定的可行性。从计算机仿真模拟结果和试验研究得到的结果来看,本文提出的针对波纹芯材夹芯结构和格构芯材夹芯结构复合材料的等效力学模型具有一定的准确性和实用性。为预报、设计和评价两种夹芯结构的力学性能等问题提供了解决途径,对夹芯结构复合材料的设计、制备和应用有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 夹芯结构复合材料的工艺研究
• 1.2.1 泡沫夹芯结构
• 1.2.2 蜂窝夹芯结构
• 1.2.3 桁架夹芯结构
• 1.3 夹芯结构复合材料的力学性能研究
• 1.3.1 理论研究
• 1.3.2 试验研究
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 波纹芯材夹芯结构复合材料力学性能预测
• 2.1 芯材力学性能的预测
• 2.1.1 芯材侧压/侧拉弹性模量??、??的预测
• 2.1.2 芯材平拉/平压弹性模量??的预测
• 2.1.3 芯材剪切模量????、????的预测
• 2.1.4 芯材等效密度的预测
• 2.2 夹芯板力学性能的预测
• 2.2.1 夹芯板侧压/侧拉弹性模量??、??的预测
• 2.2.2 夹芯板平压/平拉弹性模量??的预测
• 2.2.3 夹芯板剪切模量????、????的预测
• 2.2.4 夹芯板等效密度的预测
• 2.3 本章小结
• 第3章 格构芯材夹芯结构复合材料力学性能的预测
• 3.1 芯材力学性能的预测
• 3.1.1 芯材侧压/侧拉弹性模量??、??的预测
• 3.1.2 芯材平压/平拉弹性模量??的预测
• 3.1.3 芯材剪切模量????、????、????的预测
• 3.1.4 芯材等效密度的预测
• 3.2 夹芯板力学性能的预测
• 3.2.1 夹芯板侧压/侧拉弹性模量??、??的预测
• 3.2.2 夹芯板平压/平拉弹性模量??的预测
• 3.2.3 夹芯板剪切模量????、????、????的预测
• 3.2.4 夹芯板等效密度ρ的预测
• 3.3 本章小结
• 第4章 夹芯结构复合材料力学性能有限元计算
• 4.1 有限元算法
• 4.1.1 有限元法概述
• 4.1.2 ANSYS 有限元软件求解
• 4.2 夹芯结构的有限元算法
• 4.2.1 夹芯结构有限元算法总结
• 4.2.2 夹芯结构实体有限元建模及分析
• 4.3 算例
• 4.3.1 解析解
• 4.3.2 解析解与有限元计算结果比较分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 夹芯结构复合材料力学性能试验研究
• 5.1 试验材料及试件
• 5.2 试验设备
• 5.3 静态力学性能测试
• 5.3.1 平压性能
• 5.3.2 侧压性能
• 5.3.3 剪切性能
• 5.4 理论值与试验值比较
• 5.4.1 波纹夹芯结构复合材料理论值与试验值的比较
• 5.4.2 格构夹芯结构复合材料理论值与试验值的比较
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢