轻质复合材料新型点阵结构设计及其力学行为研究

论文摘要

为了实现飞行器减轻重量、增加有效载荷的目的,发展先进轻质复合材料结构,实现结构轻量化和多功能化是迫切需要解决的科学问题。碳纤维复合材料格栅结构和点阵结构兼备轻量化和多功能化特点,是当前国际学术界公认的最有前景的新一代超轻质高强结构之一。在本论文中,我们开展了碳纤维复合材料三维格栅结构、碳纤维复合材料金字塔点阵结构、碳纤维复合材料增强型点阵结构、轻质金字塔点阵曲面壳与圆柱壳的设计、制备及力学性能的研究工作。在绪论中回顾和评述了轻质复合材料格栅结构、复合材料点阵结构、轻质夹层曲面壳及圆柱壳力学行为的国内外研究现状,从中提炼出本课题需要解决的关键问题。设计并制备出芯子空间贯通的碳纤维复合材料三维格栅结构,推导了蛋壳型和金字塔型格栅结构在平压、侧压及三点弯曲载荷下的力学性能理论预报公式。考虑到复合材料铺层和芯子拓扑构型可变的特点,绘制出蛋壳型和金字塔型格栅结构在侧压和三点弯曲载荷下的失效机制图。开展了三种不同相对密度试验件的平压试验,得到蛋壳型和金字塔型格栅结构平压模量、平压强度及准静态吸能特性。依据侧压失效机制图,设计了六组典型的侧压试件,观察到了面板起皱、格栅间局部屈曲、面板压溃、剪切型欧拉屈曲、芯子压溃等失效模式。针对三点弯曲失效机制图,设计了四组典型的三点弯曲试验件,观察到面板起皱和面芯脱胶失效模式。面板起皱不能导致弯曲承载能力的急剧下降,但是会诱使面芯脱胶模式提前出现,面芯脱胶是结构主导的弯曲失效模式。设计了具有自主知识产权的组装模具,采用模具热压工艺制备出碳纤维复合材料金字塔点阵结构,使得所有纤维均沿着杆件受载方向,充分发挥杆件中纤维增强的潜力。用扫描电镜观察了杆件典型截面的微观组织结构。开展了三组不同相对密度的平压试验,观察到杆件欧拉屈曲、杆件断裂、杆件分层及面芯脱胶失效模式,并与平压理论预报结果进行比较,发现本文制备的金字塔点阵结构在低密度条件下具有优越的平压比强度。开展了四组不同相对密度的剪切试验,观察到杆件欧拉屈曲、杆件分层及面芯脱胶现象。推导出金字塔点阵结构在侧压载荷下极值的理论预报公式,考虑到面板铺层及芯子密度可变性设计三组典型的侧压试验件,观察到面板起皱、面板压溃及剪切型欧拉屈曲失效模式。推导出金字塔点阵结构在三点弯曲载荷下中心点挠度和极值的理论预报公式,考虑了面板压溃、面板起皱、芯子屈曲、芯子压溃及面芯脱胶可能的失效模式。针对不同铺层的面板及不同相对密度的芯子,绘制了三点弯曲载荷下金字塔点阵结构的失效机制图,并设计了八组典型的试验件验证理论模型及失效机制图的准确性。研究了双层碳纤维复合材料金字塔点阵结构在准静态平压载荷下的力学性能及吸能特性,通过对不同相对密度双层金字塔点阵结构的低速冲击试验揭示其能量吸收机理。针对碳纤维复合材料点阵结构面芯界面性能较弱的瓶颈问题,采用电火花和激光切割工艺制备出碳纤维复合材料增强型点阵结构。研究了激光切割工艺所制备的复合材料直柱和斜柱增强型点阵结构在平压及剪切载荷下的力学性能和失效机理,推导出预报直柱和斜柱增强型点阵结构平压模量、平压强度、剪切模量及剪切强度的理论公式,并对结构尺寸与比强度和比模量之间的内在联系进行深入分析。试验及理论结果发现增强型点阵结构可以明显提高点阵结构剪切性能的瓶颈值。设计并制备出轻质复合材料金字塔点阵曲面壳及圆柱壳。其纵环筋采用7075铝合金线切割批量成型,金字塔芯子通过环筋和纵筋嵌锁而成,而曲面壳和圆柱壳的面板均为碳纤维复合材料。对两种不同厚度面板的金字塔点阵曲面壳,观察结构的失效模式,发现了曲面壳独特的M型失效模式。给出了预报曲面壳弯曲性能的理论公式,并用有限元方法对不同面板厚度的曲面壳进行数值模拟。考虑到圆柱壳可能的轴压失效模式,推导出相应的理论预报公式,并绘制了不同角度铺层面板的金字塔点阵圆柱壳在轴压载荷下失效机制图。设计了三组典型的圆柱壳轴压试验并得到点阵圆柱壳的极限承载能力及应变值,同时观察到筋格间面板局部屈曲和面板压溃失效模式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 复合材料点阵结构力学行为研究现状
• 1.2.1 复合材料点阵结构的仿生学启示
• 1.2.2 复合材料点阵结构概念的提出
• 1.2.3 复合材料格栅结构力学特性的研究进展
• 1.2.4 复合材料点阵结构力学特性的研究现状
• 1.2.5 轻质夹层壳体结构力学特性的研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 碳纤维复合材料三维格栅结构的力学行为
• 2.1 引言
• 2.2 结构设计与制备
• 2.3 碳纤维复合材料三维格栅结构的平压性能
• 2.3.1 相对密度
• 2.3.2 平压模量和强度的理论预测
• 2.3.3 平压性能的试验研究
• 2.4 碳纤维复合材料三维格栅结构的侧压性能
• 2.4.1 侧压极限载荷的理论预报
• 2.4.2 侧压失效机制图
• 2.4.3 侧压性能的试验研究
• 2.5 碳纤维复合材料三维格栅结构的三点弯曲性能
• 2.5.1 中心点挠度和极限载荷的理论预测
• 2.5.2 中心点挠度和极限载荷的试验研究
• 2.6 本章小结
• 第3章 碳纤维复合材料金字塔点阵结构的力学行为
• 3.1 引言
• 3.2 结构设计与制备
• 3.2.1 模具热压制备工艺
• 3.2.2 微观组织分析
• 3.3 复合材料金字塔点阵结构的平压性能
• 3.3.1 金字塔点阵芯子单胞及相对密度
• 3.3.2 平压模量与强度的理论公式
• 3.3.3 平压模量与强度的试验研究
• 3.3.4 试验结果及讨论
• 3.4 碳纤维复合材料金字塔点阵结构的侧压性能
• 3.4.1 侧压极限承载能力的理论预报
• 3.4.2 侧压性能的试验研究
• 3.4.3 试验结果与讨论
• 3.5 碳纤维复合材料金字塔点阵结构的剪切性能
• 3.5.1 剪切模量与强度的理论预报
• 3.5.2 剪切性能的试验研究
• 3.6 碳纤维复合材料金字塔点阵结构的三点弯曲性能
• 3.6.1 三点弯曲中心点挠度及极限载荷的理论预报公式
• 3.6.2 三点弯曲失效机制图
• 3.6.3 三点弯曲中心点挠度及极限载荷的试验研究
• 3.7 碳纤维复合材料双层金字塔点阵结构平压及低速冲击行为
• 3.7.1 双层金字塔点阵结构的相对密度
• 3.7.2 双层金字塔点阵结构的平压性能
• 3.7.3 双层金字塔点阵结构的低速冲击性能
• 3.8 本章小结
• 第4章 碳纤维复合材料增强型点阵结构的力学行为
• 4.1 引言
• 4.2 结构设计与制备
• 4.2.1 波纹板的制备
• 4.2.2 电火花切割法
• 4.2.3 激光切割法
• 4.3 增强型点阵结构平压及剪切性能的理论研究
• 4.3.1 斜杆增强型点阵结构的平压模量及强度
• 4.3.2 斜杆增强型点阵结构的剪切模量及强度
• 4.4 增强型点阵结构平压及剪切性能的试验研究
• 4.4.1 增强型点阵结构平压性能的试验研究
• 4.4.2 增强型点阵结构剪切性能的试验研究
• 4.5 几何参数与力学性能的关系
• 4.6 剪切强度对比分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 轻质复合材料金字塔点阵曲面壳及圆柱壳的力学行为
• 5.1 引言
• 5.2 金字塔点阵曲面壳的弯曲行为
• 5.2.1 嵌片和嵌锁组装
• 5.2.2 曲面壳的设计与制备
• 5.2.3 弯曲性能的理论研究
• 5.2.4 弯曲性能的试验研究
• 5.2.5 弯曲性能数值模拟
• 5.3 金字塔点阵圆柱壳的轴压行为研究
• 5.3.1 结构设计与制备
• 5.3.2 轴向压缩性能的理论研究
• 5.3.3 轴向压缩性能试验研究
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历