热环境对复合材料金字塔点阵夹芯结构力学性能的影响

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1、博士学位论文热环境对复合材料金字塔点阵夹芯结构力学性能的影响THEINFLUENCEOFTHERMALENVIRONMENTONTHEMECHANICALPROPERTIESOFCOMPOSITEPYRAMIDALLATTICESANDWICHSTRUCTURE李晓东哈尔滨工业大学2018年06月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：531密级：公开工学博士学位论文热环境对复合材料金字塔点阵夹芯结构力学性能的影响博士研究生：李晓东导师：闫相桥教授副导师：吴林志教授申请学位：工学博士学科、专业：工程力学所在单位：复合材料与结构研究所答辩日期：2018年06月授予

2、学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB332U.D.C.:531DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHEINFLUENCEOFTHERMALENVIRONMENTONTHEMECHANICALPROPERTIESOFCOMPOSITEPYRAMIDALLATTICESANDWICHSTRUCTURECandidate：XiaodongLiSupervisor：Prof.XiangqiaoYanViceSupervisor:Prof.LinzhiWuAcademicDegreeAppliedfor：Docto

3、rofEngineeringSpeciality：EngineeringMechanicsAffiliation：CenterforCompositeMaterialsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要碳纤维/树脂基复合材料点阵夹芯结构可以实现结构轻量化和多功能一体化设计，在航天器、飞机、轮船、汽车等制造领域具有广阔的应用前景。但是树脂基复合材料对温度环境具有敏感性，在不同温度环境中树脂基体会发生不同的物理和化学变化，对树脂基体性能造成一定的影响，进而

4、影响复合材料点阵夹芯结构的整体性能。近些年，国内外学者对复合材料点阵夹芯结构在常温常压下的力学性能进行了大量的研究，但对温度环境下复合材料点阵夹芯结构的力学性能研究较少。因此，开展不同温度环境下复合材料点阵夹芯结构力学性能的研究具有重要的科学意义。本文设计并制备了碳纤维增强环氧树脂基复合材料金字塔点阵夹芯结构，并对其在室温环境下、高低温环境下、热暴露处理后以及真空热循环处理后的力学性能进行了理论预报和试验研究。本文以增加面芯间界面粘接强度，提高剪切性能为目标，采用水切割技术和嵌锁组装工艺设计并制备出节点增强碳纤维/环氧树脂基复合材料金字塔点阵夹芯结构。推导出常温下复合材料点阵夹芯结构

5、在平压载荷下的理论预报公式，并通过四种相对密度的平压试验，得到了点阵夹芯结构平压模量和强度，观察到芯子杆件发生屈曲失稳和压溃破坏失效，验证了理论预报公式的有效性。开展了四种相对密度的剪切试验，与剪切理论预报结果进行了对比分析。观察到芯子杆件发生屈曲失稳、压溃破坏以及复合材料面板分层失效模式，并与剪切理论预报结果进行了对比分析。对相对密度为1.8%的节点增强和节点未增强的点阵夹芯结构进行了剪切性能对比试验，发现节点增强点阵夹芯结构的剪切强度比节点未增强点阵夹芯结构提高了1.36倍。将本文所制备的夹芯结构与其他制备方法所得的复合材料点阵夹芯结构进行平压性能和剪切性能的对比分析，发现与其他

6、复合材料点阵夹芯结构制备工艺相比整体力学性能得到提高。试验研究了碳纤维复合材料金字塔点阵夹芯结构平压性能随温度的变化规律以及失效机理，采用理论预报模型得到了复合材料金字塔点阵夹芯结构平压模量和强度关于温度的函数关系，并通过试验验证了理论预测曲线的有效性。采用理论预测和试验测试相结合的方法对高低温环境下的复合材料金字塔点阵夹芯结构剪切行为进行了研究，得到了不同温度对复合材料金字塔点阵夹芯结构剪切模量和强度的影响规律及失效模式。通过理论预测曲线与试验结果对比，发现理论预测曲线较好地反映了复合材料金字塔点阵夹芯结构剪切性能随温度-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文的变化规律。通过试验研究了

7、经不同热暴露温度和热暴露时间处理后碳纤维/环氧树脂基复合材料金字塔点阵夹芯结构的平压和剪切行为，得到了金字塔点阵夹芯结构平压模量和强度以及剪切模量和强度随热暴露温度和时间的变化规律，揭示了热暴露处理后金字塔点阵夹芯结构在平压载荷和剪切载荷作用下的失效机理，推导出了热暴露处理后的复合材料金字塔点阵夹芯结构平压模量和强度以及剪切模量和强度的理论预报公式。研究表明，热暴露温度低于180℃时，复合材料金字塔点阵夹芯结构在压缩载荷或剪切载荷作用下芯子杆件发生断裂破坏