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X-cor增强泡沫夹层复合材料结构力学行为研究

陈海欢  
【摘要】: X-cor泡沫夹层结构是z-pin技术在泡沫夹层结构上的应用成果,具有比蜂窝夹层结构更优越的力学性能,同时,X-cor泡沫夹层结构还克服了一般泡沫夹层结构的压缩与剪切性能低、面板与芯材容易发生脱粘和分层等缺点。作为一种新型结构,X-cor泡沫夹层结构通过选取不同泡沫型号、不同pin材料、直径、间距及其植入密度和角度等参数,可实现具有优越结构性能的设计。因此,X-cor泡沫夹层结构在飞机结构中具有很好的应用前景。目前,国外对X-cor泡沫夹层结构的研究已取得一定成果,而国内对该结构的工艺和性能的研究正处于起步阶段。 本文结合对国内外相关文献的调研,采用试验、理论和有限元等方法对其拉伸、压缩和剪切性能进行了研究。首先,采用试验方法研究了pin直径、植入角、植入密度、端部斜切角、植入深度以及pin空间布局等参数对X-cor泡沫夹层结构拉伸、压缩和剪切性能的影响。研究结果表明,pin组成的X-cor使泡沫夹层结构的这三种性能显著提高。Pin植入角、直径以及植入密度是压缩和剪切性能的主要影响因素,而端部斜切角及空间布局的影响可忽略。此外,横向面内pin对剪切性能的贡献较小。随pin植入密度、直径或端部植入深度的提高,X-cor泡沫夹层结构的面外拉伸性能显著得到增强;芯-面界面存在胶层时,泡沫对拉伸强度的影响较大,对拉伸刚度的影响较小。 其次,通过对试验现象的观察和分析,本文重点研究了X-cor泡沫夹层结构的变形和破坏机理。1)压缩。压缩破坏机理为pin发生弹性屈曲,考虑横向剪力和端部约束对pin临界载荷的影响后,完善了压缩强度模型,并利用混合率建立了面外压缩刚度模型。2)剪切。Pin大规模被拔出以及泡沫受剪发生断裂是导致夹层结构剪切破坏的主要原因,在考虑了芯-面界面胶层的影响后,建立了剪切强度模型,对pin端部所受约束进行了细节分析,完善了已有的剪切刚度模型,并建立了X-cor剪切刚度有限元模型。3)拉伸。拉伸破坏机理为pin从面板被拔出和泡沫断裂,在此基础上考虑了芯-面界面是否存在胶层,建立了拉伸强度模型。在以上试验研究与理论研究基础之上,本文将各模型计算结果和试验结果进行了对比,验证了模型的准确性并指出其中不足,以作进一步分析。 最后,本文综合讨论了pin各参数对三种力学性能的影响。1)当Pin的植入角约为22°,端部斜切角约为30°时,如果适当增加植入深度,可获得效率较优的X-cor泡沫夹层结构。2)如果保留芯材中的泡沫或芯-面间采用胶接,不仅可以提高结构韧性,而且可以优化X-cor泡沫夹层结构。3)在X-cor泡沫夹层结构中,pin的轴向优越性能否得到充分发挥,将直接影响夹层结构性能的提高。


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