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新型格栅结构设计及力学性能研究

郑青  
【摘要】:轻质高强格栅结构在航空航天、汽车、船舶等领域都具有极大的工程应用价值和发展潜力。本文通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合的手段,系统研究了格栅结构的各向异性特性;对复合材料格栅承力筒结构进行了优化设计,并提出了大型格栅结构的缩比模型;探索了大尺寸复合材料格栅承力筒结构的制备工艺和测试表征方法;基于分形几何理论,深入研究了多级格栅结构的力学性能。(1)格栅结构力学性能的各向异性与其构型相关。研究发现,金刚石构型的格栅在刚度和强度方面都展现出较强的各向异性;通过改变不同方向格栅肋条的宽度可以调节格栅刚度各向异性和强度各向异性;得出了格栅结构强度包络线,并对比了欧拉屈曲和材料失效两种失效模式,提出了格栅筒结构的理论优化方法,为特定受载结构的轻量化设计提供了理论基础。(2)采用等效连续介质方法,对复合材料格栅筒结构的刚度和临界轴压力进行了理论分析。结果表明,受轴压的复合材料格栅筒有三种失效模式,即整体屈曲、肋条屈曲和材料强度失效。根据其失效模式图,大尺寸格栅筒结构由于其厚度尺寸相对较小,主要表现为整体屈曲失效。通过有限元模型开展的参数分析表明,格栅筒的刚度与格栅肋条的宽度或者厚度成正比,而其临界轴压力与肋条厚度的二次方成正比。(3)建立了格栅结构有限元模型,得到了结构尺寸与结构力学响应及结构重量的定量关系,采用相应面方法,结合MATLAB优化工具箱,实现了格栅筒结构的轻量化设计。(4)基于相似理论和方程分析法,提出了以失效模式图相同为标准的缩比模型构建方法;建立了轴压下Kagome构型格栅承力筒结构的缩比模型,得到了该结构6个独立几何参数(D、H、b_1,b_2、δ、t)的缩比关系;通过有限元数值模拟对缩比模型的有效性进行分析和验证。(5)采用软膜辅助纤维缠绕制备工艺,成功制备具有较大几何尺寸的碳纤维增强环氧复合材料格栅承力筒。采用锤击法得到了格栅筒结构自由振动的模态和频率;根据实验结果反推出格栅筒结构肋条的实际纵向弹性模量。对格栅筒进行了轴压测试,得到的失效模式为肋条分层劈裂,轴压强度实验值与理论预测值相差约30%。(6)提出了多级格栅概念及其构造方式,即平面拓展法和空间拓展法;采用分形理论,推导了不同失效模式下多级格栅的力学性能;建立了二级格栅结构的有限元模型,重点考察了二级格栅结构的力学性能特点,并绘制其失效模式图和强度包络线图;采用光敏树脂3D打印技术,制备了工程塑料二级格栅结构,并测试了其力学性能,对理论结果进行了验证。


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