金属波纹管在航空管路中的动力学优化及可靠性分析

采用动力优化的分析方法,以提高第一阶固有频率为目标,避开金属波纹管系统前四阶固有频率共振为约束,以波高、壁厚及卡箍位置为设计变量,对某型飞机航空管路中波纹管进行了动力优化。结合动力优化结果,采用蒙特卡洛法分析了影响波纹管固有频率的参数灵敏度,结果表明波纹管材料的弹性模量和密度、波纹管系统的波高和管壁厚度是影响波纹管固有频率的主要因素。根据可靠性分析中的干涉理论,分析了前四阶频率的分布情况,对金属波纹管的共振可靠性进行了研究。研究结果为波纹管系统的动力安全可靠性设计提供参考。     

蜂窝夹芯结构面内等效弹性参数的分析研究

针对Bernoulli Euler梁法计算蜂窝夹芯等效弹性参数的不足,利用3D有限元数值模拟技术,通过对不同材料、不同尺寸的正六边形蜂窝夹芯弹性参数进行数值模拟,给出了芳纶纸面内等效刚度和Poisson比随蜂窝夹芯几何参数变化关系,提出了等效弹性参数的计算公式和一种循环优化设计蜂窝夹芯板厚度的新思想,得到了一些Bernoulli Euler梁法无法得到的重要结论:正六边形蜂窝夹芯结构y方向的弹性模量大于x方向的1.5倍;等效Poisson比仅与蜂窝夹芯几何参数有关,而与材料常数无关等。最后通过与文献[11]铝质蜂窝夹芯的压缩实验结果比较,证实了本文所使用方法的有效性和部分公式的正确性。     

增材制造钛合金微桁架夹芯板低速冲击响应

增材制造技术能够制造复杂点阵结构。相比于传统的加工工艺,可以一次成型,克服了低速冲击下传统工艺芯层与面层在连接点处易发生脱粘的问题。利用低速落锤试验装置对增材制造面心立方（FCC）夹芯板和体心立方（BCC）夹芯板进行了低速冲击试验,获得了两种微桁架点阵夹芯板的破坏模式和冲击响应曲线。低速冲击下,微桁架夹芯板上面层在冲击部位产生局部凹坑,并出现裂纹,其余部位没有大变形。试验结果表明在相同能量冲击下,BCC夹芯板的凹坑深度要小于FCC夹芯板,BCC夹芯板的抗冲击性能要优于FCC夹芯板;建立有限元模型,较好地表征了低速冲击过程中微桁架结构的损伤。发现在低速冲击过程中,对于两种微桁架点阵夹芯板,冲击能量主要由上面层和芯层吸收;冲击能量改变,夹芯板各部分吸能百分比变化较小。BCC夹芯板和FCC夹芯板结构稳定,整体性好;低速冲击下,FCC夹芯板最先发生破坏的部位是上面层与芯层连接处;而BCC夹芯板最先发生破坏的部位是中间竖直桁架。     

低速冲击下金属蜂窝夹芯板抗侵彻性能的试验研究

利用落锤冲击试验系统,研究了金属蜂窝夹芯板在低速冲击载荷作用下的抗侵彻行为。试验获得了平头、半球形和锥形锤头冲击下蜂窝夹芯板的破坏模式和力-位移曲线,分析了锤头形状和芯材厚度对夹芯板最终破坏模式、力-位移曲线和临界破坏能量的影响。试验结果表明:夹芯板在平头、半球形和锥形锤头冲击下上面板分别产生了圆形剪切、圆形拉伸和钻石形的最终失效模式,下面板的最终失效模式分别为圆形剪切、瓣形开裂和瓣形开裂;金属蜂窝夹芯薄板在锥形锤头和半球形锤头冲击下的力-位移曲线会出现单峰模式,金属蜂窝夹芯厚板在锥形锤头和半球形锤头冲击下的力-位移曲线则是双峰模式,而在平头锤头冲击下的金属蜂窝夹芯板的力-位移曲线均为双峰模式;金属蜂窝夹芯薄板抵抗半球形锤头侵彻的能力最好,抵抗平头锤头侵彻的能力最差,而金属蜂窝夹芯厚板抵抗锥形锤头侵彻的能力最好,抵抗平头锤头和半球形锤头侵彻的能力较差。     

一种特殊梯度分布的功能梯度矩形板弯曲问题解析解

研究了一种特殊梯度分布功能梯度材料矩形板弯曲问题。假设材料的弹性模量在板厚度方向上呈幂函数分布,泊松比为常数,引入PLEVAKO解,利用分离变量法,导出四边简支功能梯度材料矩形板弯曲问题的解析解。通过算例分析了材料组分变化时,功能梯度板应力和位移的变化规律。结果显示不同梯度分布板结构中的应力、位移的变化规律是不同的,有时甚至差别很大。该方法为发展针对功能梯度材料特点的数值算法和简化理论提供依据。     

一种离子聚合物金属复合材料拉伸试验研究

离子聚合物金属复合材料（IPMC）是一种新型的电致激活功能材料。为了研究IPMC的驱动特性,需要掌握其基本力学性能。通过化学镀方法,在一种与Nafion 117相似的离子交换膜表面镀金属铂（Pt）,制备了IPMC拉伸试样;测定了不同含水量情况下,IPMC试样尺寸的变化;通过拉伸试验和扫描电镜（SEM）形貌观察,研究IPMC含水量与拉伸性能之间、含水量与弹性模量之间的变化关系。研究表明：在聚合物基底溶胀状态下,试样各向尺寸变化相同,IPMC的弹性模量随其含水量的增加而降低,呈幂指数趋势下降;针对表面金属（Pt）镀层厚度为5~20 μm的IPMC试样,表层金属产生龟裂,且Pt元素在厚度方向上分布不均匀,若仍采用层合板理论对其弹性模量进行预测,将导致较大的误差。本文结果可为IPMC的力学建模、失效形式等研究提供有益的参考。     

功能梯度圆柱壳的热应力与热传导分析

金属基陶瓷功能梯度材料特性随着厚度的变化而连续变化,且陶瓷散热快,金属强度高,有望用于飞机尾喷口的设计。本工作以功能梯度圆柱壳为对象,研究热流密度、陶瓷体积分数指数和热环境等参数对功能梯度圆柱壳热应力和热传导的影响。首先,建立功能梯度材料的热物理特性模型,探索各参数对材料热物理特性的影响规律;其次,建立功能梯度圆柱壳的热应力模型,探究不同条件下功能梯度圆柱壳热应力变化规律;最后,由能量守恒定律推导出圆柱壳的热传导方程,讨论陶瓷体积分数指数和热流密度对热传导的影响。结果表明,热流密度一定时,应力随陶瓷体积分数指数增加平缓,圆柱壳的外侧应力大于内侧应力;任意截面的温度随热流密度的增加而升高,且热流密度越大温度上升越明显。     

蜂窝夹层结构稳定性模拟研究

蜂窝夹层结构随面板厚度或芯层厚度的逐渐变化会出现不同的屈曲现象。建立考虑芯层几何特征的有限元模型,研究临界失稳载荷与失稳形式的内在关系,分析了面板厚度、芯层厚度和面板-芯层厚度比对夹层结构稳定性的影响规律。研究结果可为蜂窝夹层结构的工程应用提供依据。     

多层点阵夹心结构承压性能研究

针对多层点阵夹心结构的轻质化要求同其承压能力之间的问题,构建了多层点阵夹心结构的有限元模型,研究了层数、金字塔芯子单胞分布密度、薄板厚度、流体压力及不同材料种类对多层点阵夹心结构承压性能的影响。结果表明,较大的层数、芯子单胞分布密度及薄板厚度均会有效提升多层点阵夹心结构的承压能力,但会增大该结构的质量;较大的流体压力会对多层点阵夹心结构中薄板及芯子单胞的组成提出较高的要求;弹性模量较大的材料所制备的多层点阵夹心结构的承载能力也较高。     

SMA智能梁结构振动控制试验研究

形状记忆合金(SMA)材料凭借其弹性模量大幅度温变特性被成功应用于智能梁结构变刚度振动控制。根据变刚度控制原理,制定合理的控制策略,成功降低了系统的稳态和瞬态振动响应。试验发现:所采用的Ti50Ni41Cu9三元记忆合金具有较高的热响应速率,在温度控制下相变前后弹性模量能够发生4倍以上变化;将记忆合金板安装于组合梁根部,能够显著调节结构的前3阶固有频率;通过对记忆合金进行变温操作,有效降低了系统共振状态的响应,并研究了变刚度速率对系统非线性特征和控制效果的影响;通过制定温度加载策略,成功实现了宽频段变频激励下智能梁瞬态振动响应的控制。研究结果表明,对记忆合金进行温度控制可以有效改变结构的固有频率并影响振动特性,跨越共振区时进行变刚度操作所导致的非线性特征能够有效分散主频振动能量,较快的刚度变化速率有助于振动响应的进一步降低。     

Analytical dependences for determination of thermal conduction in sandwich panels with folded cores

In this paper, an analytical dependence for determination of the effective thermal conduction in sandwich panels with folded cores is presented depending on the geometrical characteristics of both the panel, core, and the material they are made from. The dependence is verified by conducting the corresponding experimental studies on three-layer panels with folded cores.     

Analysis of folded structures for impact resistance

The failure energy of sandwich panels with cores of the M-crimp type is considered. The results of comparative tests for impact resistance of panels with folded cores of the M-crimp type and honeycomb cores are presented.     

Influence of coating thickness on geometric parameters of a chevron core

A comparative analysis of folded cores by the strength criterion and volume density was carried out. The analytical dependences that make it possible to optimize the strength and mass characteristics of sandwich panels are proposed.     

多孔金属夹芯结构的抗爆性能研究

多孔金属夹芯结构已被广泛应用于航空航天等领域,研究其抗爆吸能性能具有十分重要的意义。分别对金属空心小球和泡沫铝两种夹芯壳结构在TNT爆炸载荷作用下的抗爆性能进行爆炸实验,并采用AN-SYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟研究。结果表明:金属空心小球夹芯结构作为抗爆吸能结构是可行的;在结构框架尺寸与质量相同时,内面板厚外面板薄的夹芯结构具有更好的抗变形能力,内面板薄外面板厚的夹芯结构则具有更好的吸能特性;在结构框架尺寸与质量相同时,负梯度夹芯结构、并列型小球夹芯结构、小半径小球夹芯结构具有更好的抵抗爆炸载荷和吸收冲击能量的性能;在结构框架尺寸与质量相同时,金属空心小球夹芯结构的整体强度更高,而泡沫铝夹芯结构能更充分地发挥芯层的缓冲性能。     

A study of Z-crimp structural parameters impact on strength under transverse compression and longitudinal shear

Results of exerimental studies for composite Z-crimp core geometry impact on strength under transverse compression and longitudinal shear are presented. Recommendations are given concerning selection of core structural parameters to increase its strength for the specified types of loading at the same volumetric density. Mechanical properties of panels with different composite cores are compared.     

轻质材料与结构的一体化设计

针对多孔材料微结构构型的可设计性,基于材料多尺度均匀化计算理论,提出以宏观结构最大刚度为目标,材料微结构构型为变量的材料与结构一体化设计新方法,实现了材料宏观布局设计与材料微结构精细设计的统一。采用凸规划对偶优化求解技术与二次型周长约束格式相结合的途径,实现了快速求解与材料分布棋盘格效应的控制。数值计算结果表明,在材料用量一定的情况下,本方法能有效地实现蜂窝结构及夹层结构的拓扑优化设计,为满足极端环境下航空航天结构的设计需求提供了新的设计思想。     

复合材料夹层结构的弯扭稳定性

对复合材料层合板做面板,蜂窝做夹芯的夹层结构在受到弯、扭载荷作用下的稳定性进行了研究。面板采用对称铺层、等高度蜂窝夹芯,利用能量法对临界载荷进行了计算并给出了一些计算曲线。     

Studies of soundproofing characteristics of sandwich panels with cores of Z-crimp type

In this paper, some experimental data on soundproofing characteristics of sandwich panels having different parameters of Z-crimp core internal geometry and identical core surface mass are presented. Making use of the method of adjacent reverberation chambers, we determined the soundproofing characteristics of the flat composite fuselage skin and proved the values of these characteristics can be significantly enhanced if the fuselage skin is reinforced by panels with the Z-crimp-based core.     

Reduction of vibration by periodically stitched sandwich panel

This work reveals that the addition of periodically distributed stitches to sandwich structure enables a significant reduction of vibration in stop-band and this new functionality is systematically investigated. Firstly, a finite element model which is capable of taking into consideration the three layers of the sandwich as well as the stitches is developed. The diagram of dispersion is calculated by applying Floquet-Bloch theorem to the boundaries of unit cell. With properly chosen properties of stitches, a stop-band for flexural wave is observed. This stop-band is further confirmed by the forced response of a large stitched sandwich panel under point excitation. The level of vibration in the stop-band is significantly reduced. The influence of the stitch rigidity and density on upper and lower limits of stop-band is also examined, which confirms that stitched sandwich can be tuned to mitigate vibration in a certain frequency band with appropriate stitch properties. These investigations have demonstrated the potential application of stitched sandwich in the area of vibration reduction.