钛合金波纹夹芯结构制备及力学性能研究

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1、中图分类号：TG146.2;TQ342论文编号：102870616-B020学科分类号：080501博士学位论文钛合金波纹夹芯结构制备及力学性能研究研究生姓名王文涛学科、专业材料加工工程研究方向金属塑性成形指导教师陶杰教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二О一六年六月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialsScienceandTechnologyPreparationandMechanic

2、alPropertiesofTitaniumCorrugatedSandwichStructureAThesisinMaterialProcessingEngineeringbyWangWentaoAdvisedbyProf.TaoJieSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyJune,2016承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢

3、的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要钛合金波纹夹芯结构具有质量轻、高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、吸能能力强以及潜在的多功能性等优点而广泛应用于航空航天、船舶、汽车、建筑等领域，并被视为可重复使用空天飞行器新

4、型防隔热/承力一体化热防护系统的结构框架。其隔热功能主要通过填充在波纹夹芯空隙内的隔热材料实现，而钛合金波纹夹芯结构在兼顾隔热的同时主要负责承担载荷，因而对其承力性能的研究尤为重要。本文针对空天飞行器新型防隔热/承力一体化热防护系统结构框架用钛合金波纹夹芯结构，对其制备工艺及力学性能展开相关研究。首先利用有限元模拟手段对夹芯层制备工艺进行研究，并对面板和夹芯层之间的钎焊连接工艺进行优化；其次，通过解析法和有限元法对正弦形波纹夹芯结构的等效弹性常数进行了计算；再次对钛合金波纹夹芯结构的静态力学性能进行评价，重点探究了波

5、纹夹芯层数和排布方向对静态力学行为的影响；最后对钛合金波纹夹芯结构的高速和低速冲击性能开展研究，并探索了高应变速率和低速冲击速度对不同波纹夹芯结构动态力学行为的影响规律。得到的主要结论如下：1）通过有限元模拟手段研究并比较气压成形以及辊轧工艺制备波纹夹芯层的优缺点，在主要考虑波纹夹芯壁厚均匀性及减薄率的情况下，确定以辊轧方式制备波纹夹芯层；在确定钎焊温度为870℃之后，选取钎焊时间分别为5、10、20和30min，结果表明钎焊时间对显微硬度影响不大，但钎焊时间过短，接头中存在脆性层，剪切时失效方式为脱焊，保温时间过长

6、会引起夹芯材料组织粗化，剪切时失效方式为夹芯材料断裂，保温时间为10和20min时，既可以消除钎焊接头中间的脆性相，又可以避免母材组织过度粗化，波纹夹芯结构可以获得合适的强度和塑性匹配。2）通过解析法和有限元法获得了钛合金波纹夹芯结构等效剪切模量Gxz、Gyz、Gxy，等效弹性模量Ex、Ey以及密度ρeq的解析表达式；获得了波纹夹芯材料厚度、波纹夹芯高度和波纹夹芯波长对上述等效剪切模量、等效弹性模量以及密度的影响规律，并将解析法和有限元法的结果进行了比较，两者具有较高的吻合度。分别利用解析法和有限元法获得的结果建立钛

7、合金波纹夹芯结构三点弯曲等效模型，同时建立钛合金波纹夹芯结构全尺寸有限元模型，三者获得的钛合金波纹夹芯结构弯曲刚度结果比较接近，验证了等效理论的合理性和准确性。3）对于平面压缩，通过试验手段获得了波纹夹芯层数和排布方向对波纹夹芯结构压缩性能和失效过程的影响规律；在有限元模型中引入初始缺陷因子，获得的具有不同波纹夹芯层数和排布方向的波纹夹芯结构压缩载荷-位移曲线和波纹夹芯结构失效过程均与试验结果相吻合。对于面内剪切，首先通过有限元模拟获得了钛合金波纹夹芯结构在MD方向和CD方向的剪切失效过程；其次MD方向剪切试验结果表

8、明失效方式与有限元模拟结果相近，但是载荷-位移曲线I钛合金波纹夹芯结构制备及力学性能研究相差较大，CD方向剪切试验结果无论在失效方式还是载荷-位移曲线均与有限元模拟结果相差较大，即使在有限元模型中引入初始缺陷因子仍无法获得与试验相接近的结果。对于三点弯曲性能，首先利用有限元手段发现跨距对MD方向三点弯曲的剪切效应影响明显，而CD方向三点弯曲剪切