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新型沙漏金属点阵结构的力学性能与强化机理

冯丽佳  
【摘要】:点阵结构不仅具有轻质和高承载特性,其互联互通的内部空间还可实现多功能开发,因此成为国际公认的最具前景的新一代轻质高强结构。金字塔点阵结构在各方面都展现出优异性能,是目前人们关注最多、研究最广泛的一种点阵结构,然而,金字塔点阵结构仍然存在两个亟需解决的问题:一是,低相对密度下由于其杆件细长比较低,在压缩载荷下易发生杆件屈曲失效;二是,由于节点间距较大,在压缩载荷下易发生面板局部屈曲失效,在水下爆炸冲击载荷下易发生面板拉伸和撕裂破坏。因此,本文旨在通过拓扑构型的设计,来克服以上缺陷,进而全面提升点阵结构力学性能。本文基于金字塔点阵结构存在的上述问题,提出了一种新型沙漏点阵结构的拓扑构型设计方法。相对于金字塔点阵结构,沙漏点阵结构不仅具有更大的杆件细长比,而且具有更小的节点间距,相应地,其杆件抗屈曲能力和面板抗局部屈曲能力得到增强。本文通过简单且缺陷少的切割+嵌锁组装+真空钎焊工艺,对304不锈钢沙漏点阵结构进行了制备。并对相对密度约为1.1%-2.7%的不锈钢沙漏点阵结构的面外压缩和面内剪切性能开展研究。研究发现,当材料承受压缩载荷时,304不锈钢母材的压缩曲线预报模型比拉伸曲线预报模型更加准确,因此本文选择压缩模型进行理论预报。研究发现,相比于相近相对密度金字塔点阵结构,沙漏点阵结构面外压缩强度提高了26%-47%,面内剪切强度提高约40%-60%。这主要归功于沙漏点阵杆件抗屈曲能力的提升,说明这种沙漏点阵拓扑构型的设计能够显著提升夹芯结构芯子的力学性能。同时,本文通过理论和实验方法对沙漏点阵结构的面内压缩和三点弯曲性能进行了研究,理论与实验吻合较好。在面内压缩载荷下,沙漏点阵结构至少存在四种失效模式:宏观弹性屈曲、宏观非弹性屈曲、面板局部弹性屈曲和面板局部非弹性屈曲,根据这四种失效模式绘制了面内压缩载荷下的失效机制图。分析失效机制图发现,沙漏点阵结构相比于金字塔点阵结构更不易发生面板局部屈曲失效。此外,实验结果显示,沙漏点阵结构的面内压缩峰值载荷高达相同结构尺寸金字塔点阵结构的3.5倍。在三点弯曲载荷作用下,沙漏点阵点阵结构存在四种可能的失效模式,包括面板弹性屈曲,面板屈服,芯子杆件弹性屈曲和芯子杆件屈服,并根据这四种失效模式绘制了三点弯曲载荷下的失效机制图。研究表明,沙漏点阵结构的三点弯曲力学性能整体优于金字塔点阵结构。综上可知,沙漏点阵拓扑构型设计能够提升夹芯结构的整体结构性能。基于上述拓扑构型设计思想,本文进一步提出了多层沙漏点阵的结构设计方法,以求在单层沙漏点阵结构基础上,进一步提高点阵结构面板抗局部屈曲能力。通过理论和实验,研究了3种层数沙漏点阵结构的面外压缩和面内压缩性能,探索了层数对沙漏点阵结构面外压缩和面内压缩性能的影响,理论与实验吻合较好。研究发现,在面外压缩载荷下,随着沙漏点阵结构层数的增加,边界效应逐渐增大,而在消除边界效应影响后,发现面外压缩强度变化不大,且沙漏点阵均高于金字塔点阵结构,此外,层数的增加可提升结构的吸能性能;在面内压缩载荷下,随着层数的增加,沙漏点阵结构抗面板局部屈曲能力提高,从而其面内压缩峰值载荷得到显著增强。另一方面,在考虑面内压缩强度和制备成本与工艺难度的情况下,对多层沙漏点阵结构的层数进行了优化设计。以上研究了单层、多层沙漏点阵结构的准静态力学性能,此外,本文采用一种模拟水下爆炸冲击的流固耦合实验装置,对不锈钢单层和多层沙漏点阵结构在水下爆炸冲击载荷下的动态响应进行了研究。首先,在边界条件和面密度相同的情况下,将单层沙漏点阵结构的动态响应分别与实体板、金字塔点阵结构和双层沙漏点阵结构进行了对比。表征指标主要包括:背板和前板最大挠度、面板抗拉伸和抗撕裂能力。对比发现,单层沙漏点阵结构抗水下爆炸冲击性能优于实体板和金字塔点阵结构,双层沙漏点阵结构的抗水下爆炸冲击性能优于单层沙漏点阵结构。


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