金属梯度多孔夹芯板振动特性分析.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaJun．252017V01．38No．6SSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn金属梯度多孔夹芯板振动特性分析肖登宝，赵桂平*西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室，西安710049摘要：金属梯度多孑L材料芯层的胞孔壁厚度及半径沿芯层厚度方向逐渐变化，使得芯层的材料参数如密度和弹性模量等逐渐变化；采用金属梯度多孔材料代替传统均质多孔芯层会影响夹芯板的

2、振动特性。基于高阶夹芯板理论且考虑梯度多孔芯层密度和弹性模量的耦合影响，建立了复合材料面层一金属梯度多孔夹芯板的振动方程。分析了3种密度的梯度芯层：单向分布、正梯度对称分布和负梯度对称分布对夹芯板固有频率的影响；最后讨论了3种梯度夹芯板在相同三角脉冲载荷作用下的振动响应。计算结果表明梯度芯层密度对称分布的夹芯板固有频率大于单向分布的夹芯板固有频率。关键词：金属梯度多孔材料；夹芯板；高阶板理论；振动特性；脉冲载荷中图分类号：V214．8；0327文献标识码：A文章编号：1000一6893(2017)06—220576一08复合材

3、料夹芯结构的面层通常由高密度、高刚度的各向异性薄板组成，芯层由轻质均匀多孔材料或梯度多孑L材料组成。面层承受切向载荷和弯矩，芯层承受横向剪切和垂直载荷。由于力学性能优越，复合材料夹芯结构已经广泛应用于飞机和高超声速飞行器。近年来，国内外学者对梯度材料进行了许多研究。梯度材料可分为两种类型：功能梯度材料和梯度多孔材料。功能梯度材料通过改变各组分材料沿厚度方向的含量分布，使得材料在空间位置上呈现梯度变化，从而获得沿厚度方向逐渐变化的力学性能。目前对功能梯度芯层夹芯结构的振动特性研究已有许多成果[14]。在这些研究中，功能梯度材料芯

4、层密度和弹性模量沿厚度方向的分布通常采用指数或幂函数描述，且二者之间相互独立。梯度多孔材料一般是孔壁厚度或孔径沿厚度方向逐渐变化，使得芯层的材料参数如密度和弹性模量等也沿厚度方向逐渐变化。Gibson和Ashby[51基于相关实验数据分析并构建正方体模型模拟闭孔泡沫材料的受力性能，认为多孔材料的密度和弹性模量不是相互独立的。因而继续采用分析功能梯度材料的方法描述梯度多孔材料的密度和弹性模量分布是不可行的。AshbyL60通过对理论模型的推导，给出了一个二次项函数来描述密度和弹性模量之间的耦合关系。但是在Ashby给出的公式中有

5、需要根据研究者经验取值的参量，这制约着该公式的进一步应用。谢兰生等[71采用十四面体结构模型(Kelvin结构模型凹。93)研究了泡沫金属弹性常数与其基体材料性能之间的关系。王嵩和卢子兴[1叩采用Voronoi分析了泡沫材料相对密度对弹性性能的影响。Xiao等[11]通过对Gibson和Ashby[5]理论模型和实验数据的深入分析，给出了一个描述金属多孔材料弹性模量和密度之间耦合关系的多项式函收稿日期：2016—06-30；退修日期：2016—09—05；录用日期：2016·12—27；网络出版时间：2017-02—1713：

6、22网络出版地址：www．cn¨net／kcms／detail／11．1929．V201702171322．008．html基金项目：国家自然科学基金(11372237)*通讯作者．E—mail=zhaogp@ma¨．xjtuedu．cn戤用摇武

7、肖登宝．赵桂平金羁梯度多孔夹芯板振动特性分析￡J]．航空学报．2017。38(6)：220576．xlA008．ZHAOGP．VlbfanonreSDQnseofsandwichDane

8、sW拍gradiemmetalIi(ccel

9、uIar∞怕￡Jj．AdaAeronamicaet

10、Asnonauticaslnlca．2017，38(6)：228576j220576．1航空学报数，并且进一步将该公式发展用来描述金属梯度多孑L材料弹性模量分布与密度分布函数之间的耦合关系。梯度多孑L芯层材料对夹芯结构振动特性的影响，目前较少有学者做过分析。Rahmani等[123给出了一个适用于梯度多孔芯层夹芯结构的高阶理论，在该模型中梯度芯层的密度是常量，弹性模量随厚度方向逐渐变化。I。iu等[1朝采用一阶剪切变形理论和高阶位移场理论来分别描述面板和梯度芯层的变形，建立了梯度芯层夹芯板的振动模型。在该模型中，密度和弹性模量

11、是相互独立的。Xi—ao等[11]采用高阶夹芯板理论，获得了梯度多孔芯层夹芯板的振动方程，该模型中密度和弹性模量相互耦合；同时分析了密度线性分布的梯度多孔芯层夹芯板固有频率的特性。研究结果表明考虑芯层密度和弹性模量耦合的夹芯板固有频率随梯度范围的增加而降低，这与考虑芯层密度和