PREDICTIONS OF EFFECTIVE OUT-PLANE SHEAR MODULUS AND SIZE EFFECT OF HEXAGONAL HONEYCOMB

给出了预测六边形蜂窝材料等效剪切模量及其尺寸效应的圆筒扭转力学模型和扭转能量法,建立了等效面外剪切模量G₁₃相对于材料体分比ν、周向单胞数n、圆筒半径r和单胞层数参数m变化的解析表达式;同时将扭转能量法、有限元数值模拟计算和G-A经典细观力学方法进行了比较,从理论上揭示并验证了尺寸效应的存在性. 结果表明,当蜂窝体胞尺寸相对结构尺寸无穷小时,预测结果趋近于细观力学方法的结果. 此外,利用周期性蜂窝材料的结构对称特性,使用体胞子结构有限元计算模型进行等效面外剪切模量及其尺寸效应的预测,在不影响计算结果的前提下极大地提高了计算效率.     

铝蜂窝异面压缩的扩胞等效方法

基于铝蜂窝表观密度、质量、平台强度、异面弹性模量、压缩率、吸能量6个基本力学量,建立了正 六边形铝蜂窝等效前后胞元厚跨比(胞壁厚度与跨度的比)间的映射关系,得到相同厚跨比蜂窝结构具有相同 的力学属性与吸能特性。采用以大换小的扩胞途径,保持胞元厚跨比不变,通过改变蜂窝胞元结构几何参数, 提出了将致密孔格稀疏化的蜂窝扩胞等效分析流程,实现了致密蜂窝数值模拟时单元规模与计算时间的有 效减缩。基于显式有限元方法,建立了8种等间距扩胞铝蜂窝求解模型,结果验证了扩胞等效方法的可行性。 等效前后计算效率的对比分析显示了扩胞方法的高效性。但在异面方向尺度与胞元跨度相近时,扩胞等效方 法受到一定的局限。     

铝蜂窝结构单向压缩、失稳和破坏机制研究

采用结构代表胞元模型数值模拟了在没相对密度范围的单型铝蜂窝结构在单向压缩过程中的变形、失稳和破坏现象。我们推广了转角刚度方法,并结合数值模拟结果分析了结构失稳和破坏的三种不同特征及相应 拗观力学机制,计算了结构代表胞元开始失稳分岔时的宏观应力σT,其值与有限元数值计算和实验得到的结构宏观极限应力σu一致吻合。     

松质骨弹性模量计算的均匀化方法

对松质骨建立了六种单胞微观结构模型，采用均匀化方法和有限元方法计算松质骨的宏观等效弹性模量。给出了六种单胞模型的松质骨弹性模量与材料密度(体分比）的关系，与实验数据进行了对比，分析了不同微观结构模型在不同骨骼中的应用。结果表明，本文方法及六种单胞模型可以对松质骨微观结构和材料性能进行有效的模拟计算。同时本文又着重对松质骨的宏观等效弹性模量与体分比的指数关系进行了探讨。     

正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度理论分析

论文研究了由正六角形胞元构成的正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度.由于正六角形蜂窝夹芯层受面内载荷作用时在胞元斜壁上引起的弯矩与受面外载荷作用时在胞元斜壁上产生的弯矩有所不同,因此,基于面内变形的正六角形蜂窝夹芯层面内等效弹性参数不能用于计算正六角形蜂窝夹芯层弯曲变形.论文基于正六角形蜂窝夹芯层产生弯曲变形时三胞元壁板连接处转角为零的条件会导致正六角形胞元斜壁产生扭曲变形的事实,提出了一种新的正六角形蜂窝夹芯层理论分析方法.用论文方法计算得到的数值结果与有限元商用软件MSC.Marc计算得到的数值解进行对比,表明论文方法不但有效而且可行.     

双向荷载条件下八边形蜂窝结构因胞壁缺失所致应力集中分析

因胞壁缺失引起的应力集中现象是蜂窝结构在增材制造过程中亟待解决的问题，通过将胞壁缺失所致的缺陷等效成椭圆，基于复变函数方法得到了预测拉伸应力的解析公式和预测弯矩应力的分析方法，进而得到八边形蜂窝结构在双向荷载条件下缺失单行和多行胞壁产生的应力组合值。与数值模拟结果的对比分析验证了所提理论解析公式的有效性；同时得出距离缺陷最近胞壁上的拉伸应力解析解与数值解吻合良好，弯矩应力数值解与胞壁上的应力梯度呈明显的线性关系。与规则六边形蜂窝在多行缺陷条件下的应力集中程度进行对比，得出八边形蜂窝结构在荷载系数 和 时应力集中程度小于规则六边形蜂窝结构，从而为蜂窝结构增材制造设计提供理论指导。     

蜂窝芯层的等效弹性参数

反映蜂窝材料等效弹性参数的Gibson公式结果简单，便于应用然而由于对应于蜂窝壁板伸缩变形的刚度被忽略，导致蜂窝夹层结构数值分析时，芯层材料的弹性矩阵表现出不确定性本文重新考虑了蜂窝壁板的伸缩变形对面内刚度的影响，对Gibson公式进行了修正本本文结果不但克服了Gibson公式的缺陷，同时提出了考虑蜂窝芯层面内刚度的一种简化方案,该方案可以方便地应用于蜂窝夹层结构的计算。     

考虑面层约束时蜂窝芯弹性常数的确定

本文研究了面板约束效应对蜂窝芯弹性性能的影响并基于六边形蜂窝芯夹层板的代表性体单元建立了考虑面板约束效应的蜂窝芯位移模式.根据真实蜂窝芯代表性单元与其等效材料的代表性单元在宏观均匀应变作用下的总弹性应变能相等,导出了蜂窝芯材料等效弹性常数的公式,进一步探讨了蜂窝几何参数对其弹性常数的影响规律.通过与现有理论结果、有限元结果和实验数据进行对比证实本文导出的弹性常数公式具有较好的预报精度.结果表明面板约束对蜂窝芯等效弹性常数有显著影响.     

零泊松比手风琴蜂窝等效模量

柔性蒙皮是变形机翼和风力机叶片的关键组成部分。一维变形的柔性蒙皮不仅要求其支撑结构具有良好的面内变形和面外承载能力,还需要具有零泊松比特性。手风琴蜂窝具有零泊松比特性,可用作一维变形柔性蒙皮支撑。为全面分析其面内外弹性变形特性,综合考虑结构的内力弯矩、轴力和剪力,通过卡氏第二定理对其x向等效弹性模量和x-y面内等效剪切模量进行了推导;利用最小余能原理和最小势能原理确定了x-z面内的等效剪切模量;此外还推导了其y和z向的等效弹性模量以及y-z面内的等效剪切模量;然后通过ANSYS有限元仿真对等效模量理论公式进行了验证;最后将本文理论模型与现有模型进行了比较。结果表明,理论公式和有限元仿真吻合较好,在结构设计时采用较大的斜梁高度系数h和斜梁间距系数g,较小的厚度系数t以及较大的竖直梁厚度系数η,有望获得具有较小面内刚度和较大面外刚度的手风琴蜂窝结构。该结果可用于手风琴蜂窝面内外等效模量的快速预测,为一维变形柔性蒙皮的结构设计提供相应的参考。此外,本文理论模型相比传统模型更为精确且具有更加广泛的应用范围。     

??????о?????????????Ч?????

考虑共面载荷作用时薄壁蜂窝铝孔壁的弯曲、伸缩和剪切变形,基于Timoshenko粱理论精 确推导出了其共面弹性模量的计算公式,并利用壳单元设计了利用蜂窝铝特征单元来求共异 面弹性模量的有限元方法. 对厂家提供的两种蜂窝样品分别利用理论和有限元法进行了计算, 计算结果和实验数据相吻合,证明理论公式和有限元法的正确性. 最后就结构参数对蜂窝铝 各弹性模量相关材料效率的影响规律进行了分析.     

基于三维模型的蜂窝材料有效弹性性能研究

采用三维模型预测了传统六角形蜂窝材料和带圆环结点六角形蜂窝材料的有效弹性性能.利用有限元法并结合周期边界条件计算了材料代表性体积单元的平均应力,进而由平均场理论获得了两种蜂窝材料全部的有效弹性常数.将传统蜂窝材料的计算结果与已有梁模型的计算结果和试验数据进行了对比,结果表明三维模型比梁模型具有更高的精度,分析了梁模型误...     

类桁架夹层板的等效弹性常数研究

从应变能等效出发,将具有周期性分布的夹层板的类桁架夹芯与各向异性连续材料等效,给出了相应的宏观等效弹性常数,进而用有限元方法计算了实际夹层板和等效夹层板的结构响应,用一个算例证明了该文方法的有效性.通过对类桁架夹芯的等效弹性常数的计算,结果表明该文方法可以得到较为准确的等效弹性常数,且较其它类型的均匀化方法大大降低了计算量.     

正交各向异性Kagome蜂窝材料宏观等效力学性能

由于微结构的布局和尺寸的方向性,人造和天然的蜂窝材料都会不同程度呈现各向异性,其中正交各向异性的蜂窝材料较为常见.该文采用桁架模型推导了正交各向异性Kagome单胞蜂窝材料等效刚度和强度的解析表达式,给出了初始屈服函数和近似弹性屈曲强度,讨论了等效刚度与各向异性率和相对密度的关系.等效刚度的解析结果与单胞壁杆采用梁单元建模的刚架模型均匀化结果进行比较,结果令人满意.需要说明的是这类"组合蜂窝"材料具有多功能性和潜在的可设计性,正在受到人们关注.     

蜂窝夹层板结构等效模型比较分析

在对蜂窝夹层板结构进行有限元分析时,要对其进行等效处理,采取等效方法的合理性将直接影响到计算结果的准确性.分别采用Reissner理论、Hoff理论、三明治夹芯板理论三种不同的等效方法建立有限元模型,然后进行了静力分析和模态分析,并将每种等效方法的计算结果与实体单元建立的蜂窝夹层板模型计算结果进行了比较.与Reissn...     

基于均匀化理论的管板有效弹性常数的研究

根据多尺度均匀化理论建立了管板有效弹性常数研究的有限元计算模型，在弹性平面状态下，计算结果与ASME规范中采用的有效弹性常数进行了比较，其相对误差在0．2％，然后对管板中胀接管子的加强作用进行了研究，得到了管板有效弹性常数与胀接管子在孔间带效率为0．4时的变化曲线。计算结果表明，用均匀化方法计算管板的有效弹性常数是可行的。     

Material sensitivity analysis in homogenization of linear elastic composites

Summary  The main goal of the paper is to present theoretical aspects and the finite element method (FEM) implementation of the sensitivity analysis in homogenization of composite materials with linear elastic components, using effective modules approach. The deterministic sensitivity analysis of effective material properties is presented in a general form for an n-components periodic composite, and is illustrated by the examples of 1D as well as of 2D heterogeneous structures. The results of the sensitivity analysis presented in the paper confirm the usefulness of the homogenization method in computational analysis of composite materials the method may be applied to computational optimization of engineering composites, to the shape-sensitivity studies and, after some probabilistic extensions, to stochastic sensitivity analysis of random composites. Received 10 November 2000; accepted for publication 24 April 2001