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钎焊蜂窝铝板力学性能研究

彭明军  
【摘要】:蜂窝夹层结构来源于“天才的数学家兼设计师”—蜜蜂的蜂巢,利用蜂窝夹层结构材料的轻质、高强、高刚度等优异性能,其必将在各个领域占有一席之地。目前国内外常见的蜂窝板均为胶粘蜂窝板,蜂窝芯之间以及面板与蜂窝芯为物理结合,其强度、使用寿命以及允许的工作环境在很大程度上受胶粘剂制约。仅通过胶粘剂性能的改进和提高来取得在性能上的飞跃是很有局限的。钎焊法是取代胶粘法最理想的方法之一,通过钎焊方法形成的接头为冶金结合,使用范围大大提高,其力学性能高于其它同规格的胶粘产品。此外,针对现有焊接式蜂窝铝板制备工艺复杂,难以工业化生产的缺点,创新性提出一种新结构的蜂窝板——π型结构蜂窝铝板。 本文在前期研究基础上,对钎焊蜂窝铝板的制造方法和力学性能进行研究,并通过Ansys仿真研究钎焊蜂窝铝板的力学性能,研究工作及结果主要包括: (1)钎焊蜂窝铝板平压变形过程经历弹性屈曲、塑性屈曲、蜂窝芯失稳和塑性强化+压合化等四个阶段;面板在平压过程中对蜂窝铝板承载能力没有影响;双层蜂窝芯主要承受载荷,单层蜂窝芯壁板连接和约束双层蜂窝芯壁板;而π型结构蜂窝铝板窝中相邻壁板之间相互连接和约束其余壁板。 (2)传统结构蜂窝铝板平压强度公式π型结构蜂窝铝板平压强度公式为但因π型结构蜂窝铝板无单双层壁板之分,π型结构蜂窝铝板的平压强度较传统钎焊蜂窝铝板的平压强度低0.13-0.45MPa。 (3)钎焊蜂窝铝板在承受侧压载荷时,左右面板通过形变可将自身承受的垂直载荷转化为水平载荷后传递给中间蜂窝芯。受蜂窝芯排列方式不同,蜂窝铝板纵向侧压发生酒窝型失稳,而横向侧压发生剪切皱折失稳。蜂窝铝板纵向侧压强度大于横向侧压强度,纵向侧压的极限载荷比横向侧压的极限载荷略高12%。 (4)π型结构蜂窝铝板侧压强度较传统蜂窝铝板侧压强度高,纵向侧压强度大约高1.3%-5.5%,横向侧压强度大约高4.2%~10%。 (5)钎焊蜂窝铝板受到弯曲载荷时依面板抗拉压强度与蜂窝芯抗剪刚度的协调性,表现出三种类型的失效模式:蜂窝芯坍塌失效、整体弯曲失效和面板剪切失效。 (6)π型结构蜂窝铝板与传统钎焊蜂窝铝板三点弯曲失效模式相似,π型结构蜂窝铝板三点弯曲破坏抗力较传统蜂窝铝板三点弯曲破坏抗力大,且纵向三点弯曲破坏载荷大约2.2%~10.8%,而横向三点弯曲破坏载荷差值约为5.8%-12.9%。 (7)π型结构蜂窝铝板的综合性能优于传统钎焊蜂窝铝板。 本文的创新性主要体现为针对现有胶粘蜂窝铝板缺陷,提出运用保护气体Nocolok钎焊法制备钎焊蜂窝铝板,同时在研究过程中再次针对钎焊蜂窝铝板制备工艺复杂,难以工业化生产的缺点,创新性提出π型结构蜂窝板(ZL200710065822.8),最后将其成功运用于设计制造风电叶片,申请国家专利8项,授权国家发明专利1项,实用新型5项。在本文最后对钎焊蜂窝金属板进一步的研发工作及应用前景进行了讨论。


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