波纹强化复合型多孔材料的力学行为研究

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1、博士学位论文波纹强化复合型多孔材料的力学行为研究学位申请人：韩宾指导教师：卢天健教授学科名称：力学2015年9月MechanicalBehaviorsofReinforcedCorrugatedCompositeCellularMaterialsAdissertationsubmittedtoXi’anJiaotongUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofEngineeringByBinHanSupervisor:Prof.TianjianLu(Mechanics

2、)September2015摘要论文题目：波纹强化复合型多孔材料的力学行为研究学科名称：力学学位申请人：韩宾指导教师：卢天健教授摘要近年来，轻质多孔材料以其优良的结构性能和多功能特性，成为众多学者和工程技术人员关注的热点。波纹结构，作为一种典型的棱柱型点阵多孔材料，其结构形式简单、易于加工和维护，且具有质量轻、强度/刚度高、抗撞击、有效散热等优点，故在航天航空、装甲防护、高速列车、舰船、深海潜水器、建筑及包装等领域得到了广泛应用，并具有进一步发展的潜质。但是，波纹结构亦存在如下问题：其力学性能的各向异性严重，易于发生屈曲失稳破坏，承载性能对初始缺陷比较敏感，且其

3、能量吸收能力明显弱于泡沫和蜂窝材料。为进一步提高波纹结构的力学性能，本文基于材料混杂设计思想，提出泡沫填充波纹和蜂窝填充波纹两种波纹强化复合型多孔材料，通过理论、数值计算和实验研究了以其作为芯体的夹芯结构的综合力学性能，充分挖掘了这两种芯体结构的性能优势。本文主要工作包括以下几个方面：第2章基于弹性小变形假设下的细观力学模型，利用力平衡和能量等效原理，将泡沫-波纹复合多孔材料处理为正交各向异性均质材料，推导出相应的宏观等效热弹性常数，获得小变形下的热弹性本构关系，为后续深入研究泡沫-波纹复合夹芯结构的基本力学性能、结构行为响应及优化设计奠定理论基础。第3章通过有

4、限元计算，系统研究了闭孔泡沫铝-304不锈钢波纹复合夹芯板的面外压缩行为，发现泡沫填充大幅度提升了复合芯体的面外压缩强度和能量吸收能力。这种增强效应主要源自于泡沫对波纹板自身的强化，泡沫本身并无明显强化。波纹倾角和细长比对压缩强度、能量吸收和变形模式有较明显的影响。泡沫填充使得波纹板呈现丰富的屈曲破坏模式。相较于空心波纹板，泡沫-波纹复合芯体的优势在波纹细长比t/L≤0.02时最为显著；随着细长比增加，该优势逐渐减小甚至消失。对面外压缩，采用强度较高的泡沫进行填充，其优势更为明显。第4章深入分析了泡沫-波纹复合夹芯结构在横向剪切和三点弯曲载荷下可能发生的失效破坏

5、，建立了相应的强度理论模型，并在此基础上进行了最小质量优化设计，充分发掘了泡沫-波纹复合夹芯结构在横向剪切和三点弯曲性能方面的结构优势。发现聚酯泡沫填充可有效提高波纹夹芯结构的剪切强度和弯曲强度。承受相同剪切或弯曲载荷时，泡沫-波纹复合夹芯结构的最小质量通常要小于对应的空心波纹夹芯结构，这一质量优势在小载荷时最为显著，但随着载荷的增加，其质量优势逐步减小乃至消失。本研究得到了国家基础研究计划“973”项目(2011CB610305)，高等学校学科创新引智计划(“111”计划，B06024)，和国家自然科学基金(11021202,11072188,11102152

6、)项目的资助。I西安交通大学博士学位论文针对不同基体材料的波纹夹芯结构，需选取特定泡沫以使其结构效率达到最优。第5章首先建立了剪切夹芯梁在轴向分布力和端部力共同作用下的稳定性理论模型，发现剪切效应在夹芯梁屈曲分析中不容忽视，且采用Engesser剪切理论更为合适。在此基础上，进一步研究了考虑自重时泡沫-波纹复合夹芯梁受端部力作用的失效行为，发现重力效应、夹芯梁细长比、面板与芯体厚度比对其端部承载能力有显著影响，但波纹芯体的几何参数（波纹板细长比和波纹倾角）的影响较小。面板相对芯体较薄时，泡沫-波纹复合夹芯梁的端部承载能力远远超过空心波纹夹芯梁，此时复合夹芯梁的结

7、构优势最为明显；随着面板加厚，虽然其端部承载能力增加，但泡沫强化效应却随之减小甚至消失，从而导致泡沫-波纹复合夹芯梁的结构优势下降，甚至不如空心波纹夹芯梁。第6章基于简化剪切变形理论，研究四周简支边界条件下泡沫-波纹复合夹芯板在热环境中的自由振动和屈曲特性，发现不同材料选取、纤维增强复合材料其不同纤维铺设方式和不同几何参数对该复合夹芯板的一阶固有频率和临界屈曲温度变化值有显著影响。T700/3234碳纤维增强复合材料制成的波纹夹芯板结构效率最高，且当波纹板o纤维铺层平行于棱柱方向以及波纹倾角取45时结构性能更优。聚酯泡沫-波纹复合夹芯板的整体结构性能略弱于空心波

8、纹夹芯板（即复合夹芯板的