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《哈尔滨工业大学》 2010年
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含缺陷金属蜂窝夹层结构的力学性能分析与失效评估研究

孔祥皓  
【摘要】: 随着航空航天技术的迅猛发展,大尺寸空间曲面的薄壁高温合金蜂窝夹层结构作为高超声速战斗机和巡航导弹中金属热防护系统的重要组成部分,目前已经成为最新的研究热点。与传统的陶瓷热防护系统相比,金属蜂窝夹层结构具有超轻质、高强韧、抗冲击、防水防潮、易于实现机械连接和结构一体化设计等诸多显著优点。但是金属蜂窝夹层结构在制备和服役过程中往往会产生不同类型的随机缺陷,势必会对相应构件的力学性能产生不利的影响,然而只要带有缺陷的金属蜂窝夹层板能够满足使用过程中各项力学性能指标要求,相应构件仍然具备服役能力。因此本文旨在通过实验分析与数值模拟相结合的方法,研究金属蜂窝夹层板存在的三类典型缺陷对结构拉、压、弯、剪等力学性能的影响,进而得出一套完整、可靠的失效评估方法。本文的研究成果不但可以对今后金属蜂窝夹层盖板的生产加工、安全服役和维修维护起到指导作用,而且还能为将来在更为复杂的热力耦合作用下大尺寸空间曲面金属热防护系统的有限元法数值模拟积累分析经验。 文中首先阐述了课题背景以及研究的目的与意义,随后对本文的研究对象点阵夹层结构与作为芯子的多孔材料进行分类,并分别从理论分析、实验测试和数值模拟等三个方面对其力学性能的研究现状进行了综述性总结。 其次对金属蜂窝夹层结构的制备工艺进行了深入的研究,对制备和服役过程中可能产生的缺陷进行了分类总结,并且针对每种缺陷的形成原因以及消除方法逐一进行分析。特别针对金属蜂窝夹层结构最具代表性的三类缺陷的制备工艺和检测方法进行了着重阐述。 然后通过实验分析与数值模拟相互验证,本文分三部分重点研究了以下三类典型缺陷对结构各项力学性能的影响。 对无缺陷的金属蜂窝夹层结构试件进行共面拉伸和压缩、异面拉伸和压缩、三点弯曲以及面内剪切等力学性能测试,并对试件断口的微观形貌进行扫描观测,根据实验结果对试件在不同载荷形式下的强度和破坏模式分别进行分析总结,利用力学理论公式求得的解析解与实验测试结果进行对比分析,验证本文在多种载荷条件下测试的实验结果。并在相同载荷条件下利用无缺陷试件的测试结果与含有不同尺寸芯子脱焊缺陷的试件的实验结果作对比分析,找出结构的各项力学性能与芯子脱焊缺陷尺寸之间的函数关系,最后对应实验数据点的损伤尺寸绘制出结构剩余强度的拟合曲线,为工程实际应用提供了实验依据和借鉴。 对含有面芯脱焊缺陷的金属蜂窝夹层结构试件作与上节所述相同载荷条件下的力学性能测试,并对所得实验数据分组处理,与无缺陷的试件测试结果进行对比分析,进而找出结构试件在不同载荷条件下的力学性能随缺陷尺寸增加而衰减的规律;通过观察试件的破坏形貌推断其破坏机理,可以判断结构的破坏模式是否受到缺陷尺寸的影响。为了进一步验证实验结果的准确性,本文应用有限元分析软件ABAQUS对加载过程中结构的力学行为进行数值仿真,将数值模拟结果与实验测试结果进行了比对分析,可以清楚地观察到结构在加载过程中塑性应变与内部应力的分布规律和演化过程。最后对应于实验数据点的损伤尺寸绘制出含有面芯脱焊缺陷的结构剩余强度的拟合曲线。 对含有结构穿透缺陷(包括Crack、Hole和Notch三种缺陷形式)的金属蜂窝夹层结构试件作相同载荷条件下的力学性能测试和数值模拟分析。为了找出试件的力学性能随穿透缺陷尺寸增加而衰减的规律,需要对实验所得数据进行分组处理,并与无缺陷试件的测试结果进行对比分析;而且可以通过观察结构的破坏形貌推断其破坏模式。进而利用有限元软件进行数值仿真,进一步证明实验数据的真实性,而且还可以准确地模拟出试件的真实破坏过程。最后对应于实验数据点的损伤尺寸绘制出含有结构穿透缺陷的金属蜂窝夹层结构剩余强度的拟合曲线。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:V229.7

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