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X-cor夹层结构制备与力学性能研究

党旭丹  
【摘要】: X-cor夹层结构以其独特的结构弥补了泡沫夹层结构厚度方向性能的不足,更好地适应了航空航天等高科技领域对轻质高强材料的需求。目前国内外的研究主要是利用各种模型预报X-cor夹层结构的力学性能,较少地涉及X-cor的自动化成形及其细观结构与失效机理。本文研究了X-cor夹层结构的制备,并针对其在压缩、剪切和拉伸载荷下的响应,分别从刚度、强度和失效机理方面进行理论分析和试验研究。 基于对X-cor夹层结构中Z-pin端部细观结构的显微镜观察,提出其端部树脂区椭圆形态的基本假设,进而分别建立树脂区的纤维偏离角度、长轴长度、短轴长度与Z-pin直径之间关系的模型。以X-cor夹层结构的参数化表征为研究基础,建立其几何分析模型。分别引入修正系数,改进基于均匀化理论的X-cor夹层结构的压缩和剪切模量计算模型;利用ANSYS软件分析计算其弹性性能。理论分析和试验结果相吻合,证明本文修正后的计算模型和所建立的有限元模型可计算X-cor夹层结构的弹性性能。 基于弹性稳定理论,采用文克尔地基模型,引入不同的Z-pin植入角度、密度和直径的端部约束修正系数,考虑制备工艺中残余应力的影响,修正了Cartié的压缩强度计算模型;端部约束修正系数与植入角度呈线性变化。运用有限元模型,依据蔡-胡失效判据、屈曲失效判据、Von-Mises失效判据和最大应力失效判据及相应材料刚度退化规则的组合,分别研究了X-cor夹层结构的参数对其压缩、剪切和拉伸强度的影响。理论预测和试验研究所得数值基本一致,表明其可用于X-cor夹层结构强度性能的分析。 根据确定的失效判据和材料刚度退化规则的组合,采用刚度退化单元模拟结构的失效过程和类型,分别研究了X-cor夹层结构压缩、剪切和拉伸的失效机理。分析表明:在压缩载荷下,树脂区和Z-pin先后失效,X-cor夹层结构的失效模式是Z-pin屈曲;在剪切载荷下,树脂区和Z-pin依次失效且多重失效模式并存;在拉伸载荷下,树脂区控制结构失效,其失效模式是Z-pin拔出面板。树脂区对结构的失效机理影响显著,失效单元的初始位置和扩展路径具有一定的分散性;Z-pin的存在改善了X-cor夹层结构的力学性能,使其与泡沫夹层结构相比具有不同的变形过程和破坏模式。有限元研究与试验结果相吻合,证明了失效机理分析方法的有效性。


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