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多孔金属夹芯圆板的大挠度变形分析

茅仁伟  
【摘要】:夹芯结构由于比传统实体结构更优异的吸能特性和较高的比强度而被广泛应用于轮船、飞行器、汽车以及航空航天等重要领域。通常,典型的轻质夹芯结构是由金属面板以及芯层(金属泡沫、蜂窝、格栅材料等)黏贴而成,其中面板主要承担面内应力,芯层主要承担剪切应力。伴随着工程研究的需要,夹芯结构的主要力学性能包括抗承载能力、变形/破坏机制和塑性耗散能力逐渐成为三明治夹芯结构研究领域的主要研究方向。但是,很大一部分的研究是基于小挠度变形假设,对于大挠度变形的研究还是比较少。本文在结合夹芯结构面板屈服破坏失效模式的前提下,基于Calladine在实体圆板中的等面积理论,扩展到夹芯结构中,推导了大挠度变形情况下简支和固支多孔金属夹芯结构(圆板、梁)在中心准静态载荷的作用下的抗承载能力公式,给出了其变形各阶段的解析解。应用数值模拟分析来验证该理论模型的有效性。并在此基础上,分析和讨论了改变芯层厚度、面板厚度、芯层强度等几何参数以及力学参数对简支和固支多孔金属夹芯结构(圆板、梁)的抗承载能力的影响。得到了以下结论:(1)简支边界条件下,该理论与数值模拟结果在塑性平台阶段吻合较好;而对于固支边界下,则在后屈服阶段吻合较好;(2)在大挠度变形中,夹芯结构的抗承载能力应考虑芯层强度的影响。简支边界条件下,随着芯层厚度的增加,理论与数值模拟的结果更接近,说明在初始塑性坍塌后,面板屈服是主要的变形模式。而特别对于固支夹芯圆板,因为边界塑性铰的增加,可以在大挠度变形中合理地忽略边界径向应力,面板承担主要的正应力与弯矩。(3)在理论分析中中心载荷视为点载荷,这造成了理论与模拟的一部分误差来源于圆柱压头的影响。


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