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高温合金点阵夹芯结构的参数设计与受力分析

帖雪敏  
【摘要】:本文主要研究不同面板厚度,不同芯体结构尺寸(芯体高度、芯体杆件半径以及杆件与面板的夹角)以及点阵单元数量分别对结构密度、平压性能和剪切性能的影响,优化点阵单元参数。基于根据力学性能优化的结构参数,分析其热传导和热力耦合应力分布,进一步优化结构,从而达到轻质和性能优异的特点。建立了面板厚度、芯体结构单元尺寸和点阵夹芯单元数量与四面体、金字塔和Kagome点阵结构的相对密度、平压模量和剪切模量的理论计算模型,推导了其等效平压模量和等效剪切模量公式,同时根据式子得到了等效平压模量与夹芯板厚度,杆半径成正比,与杆长成反比,等效剪切模量与夹芯板厚度、芯子半径、芯体芯子与面板夹角余弦成正比,与杆件长度成反比。利用有限元软件模拟分析了结构参数对平压性能的影响,研究表明点阵夹芯结构平压过程与杆件半径、面板厚度和点阵单胞数量成反相关关系,与四面体单胞的杆件与面板的夹角大致呈反比的关系,三种结构对比来看Kagome平压性能最佳;在剪切载荷下,分析结构参数对剪切性能的影响,规律与平压下类似,但剪切下点阵夹芯结构的应力值远小于平压下,Kagome结构的中间铰接部分也是应力集中,三种结构中,四面体点阵夹芯结构的剪切性能较好。对四面体、金字塔和Kagome点阵夹芯结构进行了热传导分析,结果表明面板厚度对各结构的热传导影响不大,影响最为显著的是点阵单元数量,其次是杆件的半径;对比三种点阵夹芯结构,四面体结构的隔热性能最好,其次是金字塔和Kagome结构,但差距不是很大。热力耦合情况下,芯体高度、芯杆半径以及点阵单元数量对其热应力有影响,尤其点阵单元数量的影响最大,在热载荷作用下,四面体结构的力学性能更优。针对在高温条件下使用的翼舵,其优化设计结果如下:选择四面体结构合适的点阵参数,面板厚度3mm、芯子截面半径3mm、长杆与面板夹角55°,短杆与面板夹角50°,由四面体的特殊性设计时需要交叉错开保证结构的力学性能相当,最终满足轻质高强的目的。


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