非对称蜂窝夹芯结构的力学分析与优化

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1、硕士学位论文非对称蜂窝夹芯结构的力学分析与优化MECHANICALANALYSISANDOPTIMIZATIONOFASYMMETRICHONEYCOMBSANDWICHSTRUCTURE薛雨舟哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V224+.5学校代码：10213国际图书分类号：530密级：公开工程硕士学位论文非对称蜂窝夹芯结构的力学分析与优化硕士研究生：薛雨舟导师：尹维龙副教授申请学位：工程硕士学科：航天工程所在单位：复合材料与结构研究所答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V224+.5U.D.C:5

2、30DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringMECHANICALANALYSISANDOPTIMIZATIONOFASYMMETRICHONEYCOMBSANDWICHSTRUCTURECandidate：YuzhouXueSupervisor：AssociateProf.WeilongYinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AerosapceEngineeringAffiliation：CenterforCompositeMater

3、ialsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要夹芯结构比刚度高、比强度高的属性，以及其可根据工程实际需求设计优化出各类适应能力的特点，使其在交通运输行业、建筑行业、电子信息行业等各个领域广泛运用。随着工程应用环境的日益多样化和极端化，工程环境对夹芯结构不仅提出了承载需求，更增加了同时满足特定功能的指标。因此将不同材料分别应用于上下面板，导致结构出现了非对称性，进而影响其结构功能一体化的刚度。本文采用理论推

4、导、数值模拟和结构优化的方法，针对非对称蜂窝夹芯结构的力学性能进行了分析与优化，最终目的是为了提升非对称蜂窝夹芯结构的抗弯承载能力。本文的主要研究内容如下：首先，以材料力学理论以及复合材料力学理论为基础，推导出非对称夹芯结构的强度、刚度和重量的理论计算公式，分析了非对称蜂窝夹芯结构的弯曲特性和重量特性，给出了结构弯曲刚度与上下面板的厚度，以及单侧面板的弹性模量的关系曲线，其呈幂函数关系。同时，进行了非对称蜂窝夹芯结构的有限元模拟发现经过有限元计算得到的结构弯曲刚度，与结构弯曲刚度的设计值误差均在工程允许的误差范围内，保证了本文研究的准确性。其次，运用有限元仿

5、真建模软件进行非对称蜂窝夹芯结构力学性能的仿真分析。发现当面板厚度比在0.5~1的范围内发生变化时，相比于E/Ef1在0.5~1范围内变化，给结构弯曲刚度带来的下降更明显。但当非对称结构一侧面板降至0.5倍原厚度以下时，面板的属性就成为了影响结构弯曲刚度的主要因素。因此，针对不同的变化情况，几何非对称和材料非对称分别作为影响结构弯曲刚度下降的主要因素。最后，从面板厚度匹配、面板铺层设计、蜂窝形状选择和芯子壁厚等多个角度研究了不同方案弯曲刚度的提升效果。对比单纯纵向铺层的设计方案，其他铺层设计方案的结构弯曲刚度均有下降的现象。在本文给定的范围内牺牲芯子厚度，最

6、大程度能提升8%左右的结构弯曲刚度，而通过面板厚度匹配的方式设计面板厚度，可以实现较大范围的目标结构弯曲刚度，且有多个解。对比Kagome蜂窝和普通正六边形蜂窝，相同壁厚条件下，在本章的壁厚范围内Kagome蜂窝能将结构弯曲刚度提升32%~67%；相同芯子体积条件下，在本章的壁厚范围内Kagome蜂窝能将结构弯曲刚度提升20%~40%。当蜂窝芯子的材料不同时，结构弯曲刚度受芯子壁厚的影响情况也不同：对于以芳纶纸作为原料的蜂窝结构来说，非对称蜂窝夹芯结构的弯曲刚度和比刚度均随着壁厚的增加而增加；而采用金属铝制作蜂窝的非对称蜂窝夹芯结构，其比刚度的变化规律是先增

7、加后减小。关键词：非对称蜂窝夹芯结构；几何非对称；材料非对称；刚度设计；结构优化I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThecharacteristicsofthesandwichstructurearehigherrigidityandhigherspecificstrength,anditcanbedesignedandoptimizedaccordingtotheactualneedsoftheproject.Itcanbewidelyusedinvariousfieldssuchasthetransportationindustry,con

8、structionindustry,andelect