复合材料褶皱夹芯结构的制备及其力学行为研究

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1、博士学位论文复合材料褶皱夹芯结构的制备及其力学行为研究FABRICATIONANDMECHANICALBEHAVIOROFCOMPOSITESANDWICHSTRUCTUREWITHFOLDEDCORE丛立新哈尔滨工业大学2015年11月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：539密级：公开工学博士学位论文复合材料褶皱夹芯结构的制备及其力学行为研究博士研究生：丛立新导师：孙雨果申请学位：工学博士学科：工程力学所在单位：复合材料与结构研究所答辩日期：2015年11月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB332U.D.C:5

2、39DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringFABRICATIONANDMECHANICALBEHAVIOROFCOMPOSITESANDWICHSTRUCTUREWITHFOLDEDCORECandidate：LixinCongSupervisor：YuguoSunAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：EngineeringMechanicsAffiliation：CenterforCompositeMaterialsandStructuresDa

3、teofDefence：November,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要飞机机身通常由壁板构成，复合材料壁板具有成型工艺复杂、装配严格，质量不易保证等特点。为此，在小型飞机的机身结构中已采用了蜂窝、泡沫等夹芯结构，然而，封闭多孔芯子材料的冲击阻抗低，且易凝结水蒸汽，上述因素制约了其应用。褶皱夹芯板近期引起了学者们的关注，该结构具有高比弯曲模量、高比弯曲强度；内部流体通道可减少机身内冷凝水积聚，兼具降低机舱内噪音的作用，该夹芯板有望被用于构造大型飞机的机身结构。在本研究中，

4、归纳和总结了褶皱结构的国内外研究现状，评述了褶皱结构的主要研究成果；基于折纸思想，提出并制备了M-型和橄榄型褶皱夹芯结构，分析了结构的力学行为及其失效模式，并与V-型褶皱结构进行了对比研究。首先，建立了褶皱芯子的力学分析模型，推导出在压缩和剪切载荷下复合材料褶皱芯子模量与强度的理论表达式。建立了模拟复合材料褶皱夹芯结构力学响应的数值分析模型，在模型中，三维实体单元（C3D8）用于模拟复合材料面板和褶皱芯子的应力场，而界面单元用于模拟胶粘剂层裂纹的萌生和扩展。改进的Hashin准则和幂指数规律用于描述层压板的损伤及其刚度退化，内聚力模型及B-K准则用于模拟胶粘剂层的损伤和

5、演化。其次，以复合材料V-型褶皱夹芯结构为研究对象，从理论、数值和实验三个方面对其力学性能及其失效模式进行了研究。基于理论预报和有限元模拟，分析了芯子几何参数和壁面纤维铺层角度对褶皱芯子压缩和剪切性能的影响规律。给出了褶皱夹芯结构沿着L和W方向弯曲和侧压行为及其失效模式，探讨了芯子壁面厚度对夹芯结构的力学行为及其失效机制的影响规律。再次，为了提高V-型褶皱夹芯结构的面板/芯子间的界面粘接强度，提出并制备了M-型褶皱夹芯结构，采用理论和实验方法研究了该夹芯结构的压缩和剪切性能，分析了芯子壁面厚度对结构力学性能的影响。针对压缩和剪切载荷,分析了壁面厚度对夹芯结构模量、强度和

6、失效模式的影响。实验测试了M-型褶皱结构在面内剪切和三点弯曲载荷下的力学响应，给出了L和W方向结构的模量、极限载荷；分析了胶粘剂面积和芯子壁面厚度对结构力学行为的影响，揭示了结构的失效机理。最后，针对V-型、M-型褶皱夹芯结构中面板皱曲问题，基于褶皱芯子拓扑构型、通过减小芯子的格间距离，提出并制备了橄榄型芯子。采用理论与实验方法，对结构在压缩、剪切载荷下的力学行为和破坏机制进行了研究，并将其与V-型和M-型夹芯结构的力学性能进行了对比分析，探讨了芯子壁面厚度、-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文胶粘剂层对褶皱结构力学行为及其失效模式的影响。关键词：复合材料；褶皱芯子；夹

7、芯结构；等效模型；力学行为；失效机制-II-AbstractAbstractAircraftfuselagegenerallyconsistofstiffenedpanelswithacomplicatedfabricationtechniqueandstrictassemblyprocess,andthusthequalityofthestiffenedpanelsisdifficulttocontrol.Therefore,smallairplanesusesandwichstructureswithhoneycomborfoamco