负泊松比蜂窝夹层板的振动特性研究

研究了负泊松比蜂窝夹层板几何参数变化对板振动频率的影响,并得到了频率随泊松比的变化规律。在Reddy高阶剪切变形理论的基础上,利用Hamilton原理,推导出四边简支边界条件下的负泊松比蜂窝夹层板的偏微分运动方程。根据修正后的Gibson公式,考虑了蜂窝胞元壁板的弯曲和伸缩变形,重新计算了蜂窝芯层胞元的等效弹性参数。利用Navier法,选择合适四边简支边界条件的模态函数,得出板的长厚比分别为0.01、0.05、0.10,芯厚比分别为0.80、0.85、0.90、0.95和蜂窝芯胞元倾角分别为-30°、-60°、0°、30°、60°等情况下系统的前五阶固有频率。研究结果表明,系统的固有频率随板的芯厚比、蜂窝芯胞元倾角、蜂窝芯壁厚与斜壁之比的增加都在减小,而随着板长厚比的增加而增加。分析了泊松比的变化对系统固有频率的影响,发现负泊松比蜂窝夹层板的固有频率要明显小于传统正泊松比蜂窝夹层板。本文所得结果对进一步研究系统的多模态共振具有指导意义,为负泊松比蜂窝夹层结构的工程应用在减振设计方面提供一定的理论依据。     

考虑芯层离散特性的方形蜂窝夹层板自由振动分析

针对方形蜂窝夹层板,考虑其离散的芯层结构形式,在经典夹层板理论的基础上,运用Hamilton变分原理导出了其离散结构形式的运动控制方程.该文以四边简支的方形蜂窝矩形夹层板为例,采用傅立叶级数和伽辽金法求解出夹层板固有频率的半解析解,并与有限元仿真结果进行了比较,两者吻合良好.该文还将夹层板与等质量的实体板固有频率进行了比较,讨论了夹层板芯层薄壁间距、厚度、高度以及面板厚度对其固有频率的影响.计算结果表明,夹层板相对实体板具有很大的刚度;芯层薄壁高度相对其它参数对夹层板固有频率的影响更大.     

曲壁蜂窝夹层悬臂板的振动特性研究

蜂窝结构作为一种多孔材料具有轻质、高强度、高刚度的优点, 兼具隔声降噪、隔热等优良性能, 被广泛应用于交通运输、航空航天等领域. 传统直壁蜂窝在受力后容易出现应力集中的问题, 这将导致蜂窝夹层产生裂纹破坏, 缩短夹层板的使用寿命. 针对此问题本文设计了一种以圆弧曲壁蜂窝作为芯层的蜂窝夹层板, 基于单位载荷法推导了蜂窝芯的等效参数, 建立曲壁蜂窝夹层板的动力学模型, 利用Chebyshev-Ritz方法求解悬臂边界下曲壁蜂窝夹层板的固有频率, 并用有限元方法进行对比验证, 发现前5阶固有频率的误差均在5%以内, 每阶固有频率对应的振型一致. 通过3D打印聚乳酸(PLA)制备了曲壁蜂窝夹层板, 使用万能试验机对PLA拉伸试件进行准静态拉伸测定了打印材料的杨氏模量, 搭建振动试验平台对制备的曲壁蜂窝夹层板进行正弦扫频试验、定频谐波驻留试验和冲击试验. 对比发现3D打印模型振动试验获得的前5阶固有频率与理论模型和有限元模型的计算结果三者一致, 试验发现曲壁蜂窝芯在特定频段内具有一定的抗冲击性能. 研究结果将为曲壁蜂窝在振动和隔振方面的应用提供理论支持.      

四边固支蜂窝夹层板1:3内共振非线性动力学分析

基于经典叠层板理论和几何大变形理论,将铝基蜂窝芯层等效为一正交异性层,等效弹性参数由修正后的Gibson公式得出,对四边固支蜂窝夹层板非线性动力学特性进行了分析。考虑横向阻尼的影响,建立了四边固支蜂窝夹层板受横向激振力作用的受迫振动微分方程,通过振型正交化将蜂窝夹层板受迫振动微分方程简化成双模态下的动力学控制方程,利用同伦分析方法对双模态下蜂窝夹层板的动力学控制方程进行研究,得到了1:3内共振下的幅频特性曲线,研究了不同结构尺寸对动力学特性的影响以及蜂窝夹层板作稳态运动时的稳定性问题。本文得到的结果为蜂窝夹层板的设计和实际应用提供了理论依据和数值参考。     

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.     

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。     

蜂窝层芯夹层板结构振动与传声特性研究

蜂窝层芯夹层板应用于飞行器、高速列车等交通工具的主体及底板结构时需要考虑其振动及隔声特性. 针对声压激励下的四边简支蜂窝层芯夹层板结构,应用基于Reissner夹层板理论的结构振动方程建立了的声振耦合理论模型(声压以简支模态双级数的形式引入振动控制方程),结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程,应用有限元模拟对理论预测进行了验证. 基于理论模型的数值计算结果,系统研究了蜂窝层芯夹层板结构的振动特性和传声特性,刻画了层芯厚度、蜂窝壁厚、夹层板面内尺寸和声压入射角度等关键系统参数对夹层板振动和传声特性的影响,为此类结构的工程优化设计提供了必要的理论参考.     

基于高阶变形理论的夹层板的弯曲与振动

考虑面板和夹芯的面内刚度和横向剪切刚度以及抗弯刚度,考虑了高阶剪切变形,根据横向剪应变分布情况给出横向剪切转角的位移函数,基于哈密尔顿原理,推导了基于高阶变形理论、适用于软、硬夹芯情况夹层板的基本方程。作为算例,以四边简支条件下的夹层板的弯曲与振动,在不同的面板与芯层的弹性模量比和厚度比下进行了计算,并与Reissner理论、Hoff理论以及邓宗白基于Reissner理论的修正模型的计算结果进行了对比。与前述理论与方法相比,本文方法考虑因素更为全面,对夹层板的适用范围更为广泛,计算结果更为精确。针对Nastran软件计算夹层板的振动问题,对其适用范围作了简要分析。     

考虑蜂窝高度效应的蜂窝夹芯板稳定性分析

蜂窝芯层等效弹性参数因受表板影响与其高度紧密相关,而传统蜂窝夹芯板稳定性模型未对其加以考虑。本文基于精化锯齿层合板理论,建立了蜂窝夹芯板稳定性模型。模型借助于解析均匀化方法获取蜂窝芯层等效模量,并因引入该方法而能够反映由蜂窝高度改变引起的蜂窝芯子等效模量变化对屈曲载荷产生的影响,即捕捉到了蜂窝芯子的高度效应。以四边简支蜂窝夹芯方板受单向面内压缩载荷作用为例进行了算例分析。算例结果表明,蜂窝芯子高度效应在蜂窝高度较低时明显,随着蜂窝高度增加,高度效应逐渐减弱。此外,高度效应在蜂窝芯层厚度比例较大时明显,随着蜂窝芯层厚度比例的持续下降,高度效应减弱直至消失。     

开孔纸蜂窝芯层的面外静态压缩特性

针对双层侧壁开孔的纸蜂窝芯层的面外静态压缩特性，通过试验分析无孔和开孔纸蜂窝芯层在面外压缩量为85%时的压缩变形过程，研究相对湿度和圆孔直径对其强度性能的影响。基于蜂窝结构的对称性，利用两种基本单元模型，将面外受载的蜂窝胞壁视为无孔和开孔简支弹性薄板，推导出弹性屈曲临界应力和塑性屈曲平台应力的预测公式，结果表明理论计算与试验结果具有良好的一致性。结合纸基材的正交各向异性和纸蜂窝芯层的面外压缩特性，建立无孔、开孔纸蜂窝的有限元模型，仿真模拟蜂窝胞壁在弹性和塑性屈曲阶段的弯折变形演化过程，与静态压缩试验中所观察到的变形过程是一致的。     

关于蜂窝芯体面外等效剪切模量的讨论

对于六边形蜂窝芯体,其面内等效参数具有确定的解析式,便于应用;相比之下,对于面外等效剪切模量,现有工作只能给出其上下限,由于没有确定的取值,给工程计算带来了困扰。为克服这一矛盾,本文通过Y型蜂窝胞元,针对薄面板的情况,重新分析了芯材的面外等效剪切模量。针对直壁板与斜壁板厚度为1:1和2:1的情况,给出了近似的弹性力学解答,并由此确定出面外等效剪切模量的上限。本方法所确定的剪切模量的上限与文献给出的剪切模量的下限是相同的,从而使该模量也具有确定的解析表达式,方便了数值计算和分析。试验数据和有限元数值分析均验证了本文结论的正确性。     

Effective elastic properties of flexible chiral honeycomb cores including geometrically nonlinear effects

Flexible chiral honeycomb cores generally exhibit nonlinear elastic properties in response to large geometric deformation, which are suited for the design of morphing aerospace structures. However, owing to their complex structure, it is standard to replace the actual core structure with a homogenized core material presenting reasonably equivalent elastic properties in an effort to increase the speed and efficiency of analyzing the mechanical properties of chiral honeycomb sandwich structures. As such, a convenient and efficient method is required to evaluate the effective elastic properties of flexible chiral honeycomb cores under conditions of large deformation. The present work develops an analytical expression for the effective elastic modulus based on a deformable cantilever beam under large deformation. Firstly, Euler–Bernoulli beam theory and micropolar theory are used to analyze the deformation characteristics of chiral honeycombs, and to calculate the effective elastic modulus under small deformation. On that basis, the expression for the effective elastic modulus is improved by including the stretching deformation of the chiral honeycomb structure for a unit cell under conditions of large deformation. The effective elastic moduli calculated by the respective analytical expressions are compared with the results of finite element analysis. The results indicate that the analytical expression obtained under consideration of the geometric nonlinearity is more suitable than the linear expressions for flexible chiral honeycomb cores under conditions of high strain and low elastic modulus.     

剪切和扭转工况下微纳米薄壁蜂窝的等效剪切模量计算

分别针对剪切和扭转两种工况给出了微纳米薄壁蜂窝等效剪切模量的解析计算方法.该方法综合考虑了由面板对芯层的约束导致的高度效应和当蜂窝胞壁厚度进入微纳米量级时引起的尺度效应.首先对蜂窝各胞壁选取了可反映面板约束以及受力状态的三角级数位移场,然后在本构关系中引入修正偶应力理论以描述尺度效应,最后应用能量均匀化方法求得蜂窝的等效剪切模量.以典型六边形蜂窝为例,给出了完整的计算过程和结果.与文献中的等效剪切模量结果进行对比,讨论了不同工况下等效剪切模量随芯层高度和胞壁厚度的变化趋势,以及高度效应和尺度效应之间的相互影响.     

基于Zig-Zag变形假定的复合材料夹层板的自由振动

针对复合材料夹层板的实际变形特征，基于Zig-Zag变形假定和Mindlin一阶剪切理论，建立了复合材料夹层板自由振动的有限元模型，在该模型中分别对上、下面板和芯体建立了三个独立坐标系，使三部分的转角独立，为具有厚夹芯和软夹芯的复合材料夹层板的动力分析提供了一种更为准确的有限元模型；在此基础上推导了相应的刚度阵和质量阵，并采用子空间迭代法求解。夹层板的固有频率。通过典型考题证明了本模型的有效性。文中最后还通过参数讨论，研究了具有不同长厚比的复合材料夹层板基频的变化规律。     

Size effects in the constrained deformation of metallic foams

The constrained deformation of an aluminium alloy foam sandwiched between steel substrates has been investigated. The sandwich plates are subjected to through-thickness shear and normal loading, and it is found that the face sheets constrain the foam against plastic deformation and result in a size effect: the yield strength increases with diminishing thickness of foam layer. The strain distribution across the foam core has been measured by a visual strain mapping technique, and a boundary layer of reduced straining was observed adjacent to the face sheets. The deformation response of the aluminium foam layer was modelled by the elastic-plastic finite element analysis of regular and irregular two dimensional honeycombs, bonded to rigid face sheets; in the simulations, the rotation of the boundary nodes of the cell-wall beam elements was set to zero to simulate full constraint from the rigid face sheets. It is found that the regular honeycomb under-estimates the size effect whereas the irregular honeycomb provides a faithful representation of both the observed size effect and the observed strain profile through the foam layer. Additionally, a compressible version of the Fleck-Hutchinson strain gradient theory was used to predict the size effect; by identifying the cell edge length as the relevant microstructural length scale the strain gradient model is able to reproduce the observed strain profiles across the layer and the thickness dependence of strength.     

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。     

厚度梯度型箭形负泊松比蜂窝基座抗冲击性能

设计了一种箭形负泊松比的蜂窝基座结构，推导了其胞元结构的力学性能解析公式，并利用有限元方法研究了具有厚度梯度箭形负泊松比蜂窝材料的抗冲击性能。基于功能梯度材料，其基体呈连续梯度变化的概念，以胞元壁厚为自变量，设计了顺厚度梯度、逆厚度梯度型和均匀厚度的蜂窝层，并建立基座模型。在基座质量不变的前提下具体讨论了蜂窝胞元凹角及厚度梯度的不同设置情况对基座抗冲击性能的影响。结果表明，相同梯度设置情况下，胞角的变化会引起蜂窝结构等效弹性模量的变化，进而改变基座的抗冲击性能，而将胞壁厚度较小的蜂窝层放置于迎冲端时，基座整体的应力水平明显降低；将壁厚较大的蜂窝层放置于迎冲端时，基座面板的输出冲击环境能够有效地得到控制。