基于Ω形蜂窝的夹芯式大变形柔性蒙皮结构设计与性能分析

变体飞机根据不同飞行状态改变机翼形状以获得最佳的气动效能，从而提高在多工况下执行多目标任务的能力。表面结构的柔性蒙皮设计是实现变体结构的关键，需要设计具有足够协同变形能力的同时，还能够承受表面的气动载荷、保持光滑气动外形性能的柔性蒙皮结构。针对这一需要，本文提出一种基于Ω形蜂窝的夹芯式大变形柔性蒙皮结构（Ω形柔性蒙皮）。利用参数优化技术以最小化构型变形方向的刚度为目标确定Ω构型的拓扑结构；推导出Ω形蜂窝柔性蒙皮结构的面内等效弹性性能预测公式，并通过数值仿真分析了该结构的面内变形性能和面外承载能力。通过与蛇形蜂窝和正余弦蜂窝两种夹芯式柔性蒙皮结构的面内变形能力的对比分析，验证了该柔性蒙皮的良好性能。结果表明，所提出的Ω形柔性蒙皮结构具有良好的面内可恢复的大变形能力和面外承载能力。     

基于可变形蜂窝的柔性蒙皮力学性能分析与结构设计

变体飞机可以在飞行中充分改变外形获得最佳气动效率以适应变化的任务环境。覆盖在结构表面的蒙皮不仅要具有良好的面内方向柔性,产生满足设计变形量的光滑连续变形,同时要提供足够的垂直平面方向刚度,维持气动构型,并将气动载荷传递到下层结构。本文提出一种在十字形可变形蜂窝表面覆盖硅胶表层的结构作为柔性蒙皮,理论分析了该柔性蒙皮在面内方向的变形机理以及十字形可变形蜂窝的形状参数对其力学性能的影响,并与仿真和试验结果进行了比较。根据后缘变弯度机翼的设计要求,给出了柔性蒙皮优化后的设计参数范围。结果表明该柔性蒙皮具有足够的面内方向变形能力和垂直平面方向承载能力,满足变弯度机翼后缘设计要求。     

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。     

多组贯穿闭合裂隙岩体变形模型研究

根据等效岩体理论,并考虑闭合裂隙面摩擦效应,建立了含多组贯穿闭合裂隙岩体的数学模型,给出了岩体轴向应变、等效弹性模量与等效泊松比的表达式,系统地研究了岩块性质和裂隙参数对等效弹性模量与等效泊松比的影响。结果表明:岩块弹性模量对等效弹性模量与等效泊松比的影响随弹性模量增大而逐渐减弱,等效泊松比与岩块泊松比近似呈正比例关系;当裂隙角度小于50°时,裂隙几何参数对等效弹性模量影响较大,对等效泊松比影响较小,随着角度增大,影响逐渐减弱;岩体变形受裂隙组数影响较大,由于闭合裂隙面的摩擦效应及多组裂隙间的制约作用,含两组及三组裂隙时岩体变形较小,只含一组裂隙时岩体变形最大,无裂隙岩体变形几乎可以忽略。     

蜂窝夹芯剪切等效模量研究

蜂窝夹层轻型结构以其比强度、比刚度高，而在航空航天工程中被广泛采用．由于蜂窝形状、尺寸多样，使夹层结构设计、优化分析变得复杂，特别是蜂窝夹芯的剪切模量难以准确的等效计算．以薄板理论为基础采用有限元方法对单蜂窝分析的方法，获得蜂窝夹芯的剪切等效模量，与其它方法相比较，精度较高，与试验结果吻合较好．     

新型类蜂窝夹芯面外等效力学性能

作为多孔材料的典型代表,蜂窝夹层结构被广泛应用于航空航天、汽车船舶等重要领域,因此对其力学性能进行研究具有十分重要的工程意义。利用应变能等效原理对一种新型类蜂窝夹芯的面外等效弹性模量和等效剪切模量进行了推导,并利用有限元数值模拟对此理论模型进行了验证。经对比发现,数值模拟结果和理论计算误差控制在10%以内,验证了此新型类蜂窝夹芯面外力学等效模型的可靠性。本文所阐述的内容完善了该新型类蜂窝夹芯在力学性能方面的研究,也为此新型类蜂窝夹层结构在工程实际中的推广和应用提供了理论依据和基础。     

增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料力学性能理论研究

前期研究工作中, 基于有限元分析, 作者发展了一种在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的新型增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料. 为了揭示微观结构?力学性能关系, 并进一步指导超材料目标参数设计, 本文在小变形框架下基于能量法建立了表征该拉胀材料等效泊松比和弹性模量的理论模型. 增强六手臂缺失支柱手性拉胀材料由“Z”型手臂元件组成. “Z”型手臂可以被假设为两端简支的欧拉?伯努利梁. 因此, 本文首先推导了两端受集中力和力偶的任意形状欧拉?伯努利梁的应变能. 然后, 考虑平衡条件和变形协调条件进一步给出了材料等效泊松比和弹性模量的理论表达式. 研究表明只有“Z”型梁的内外手臂比为2:1时, 理论表达式才有简洁的形式. 为了更好地利用所推导的理论表达, 基于理论推导, 本文开发了MATLAT图形用户界面 (GUI). 在GUI中输入可描述该超材料几何形状的独立几何参数, 即可直接获取其等效泊松比和弹性模量. 最后, 基于理论结果, 系统讨论了超材料微结构几何参数对其等效力学性能的影响, 并将理论解与有限元计算结果进行了对比. 结果表明, 可以通过调控微结构几何参数获取大范围的目标力学性能.      

基于拓扑优化的新型蜂窝结构设计

可变体飞行器若要实现机翼后掠角、面积和前后缘弯度等参数的大幅度变化,机翼蒙皮需要具有光滑的气动外形、大变形、高承载以及驱动力小的特点。针对柔性蒙皮的需求,本文利用拓扑优化方法设计了一种新型零泊松比蜂窝结构,通过有限元仿真与U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构进行对比,验证其变形和承载等性能。以最大应变2%为基准,比较了三种蜂窝结构的变形能力。结果表明,新型蜂窝结构的拉伸变形量高达75%,分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的1.7倍和2.1倍。在最大位移量相同时,所需驱动力分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的0.51倍和0.28倍,表明新型蜂窝结构具有很大的易变形能力。当蜂窝结构的橡胶蒙皮受到相同压强载荷且处于初始未拉伸状态/拉伸状态时,新型蜂窝结构橡胶蒙皮的最大法向位移量分别是U形蜂窝橡胶蒙皮和余弦形蜂窝橡胶蒙皮的0.4倍/0.56倍和0.29倍/0.42倍,表明新型蜂窝结构具有良好的面外承载能力。另外,通过适当增加壁厚,可以提高新型蜂窝结构本身的抗弯曲能力。分析结果表明,本文设计的新型蜂窝结构具备大变形、高承载以及驱动力小的优点。     

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.     

基于遗传算法的机翼柔性蒙皮全参数优化设计

为解决变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构设计问题,提出基于遗传算法的柔性蒙皮全参数优化方法。采用"刚度剪裁"设计理念,以大型远程飞机前缘为研究对象,通过优化变量缩减、设计区域规划和边界条件位移等效,对柔性蒙皮结构进行工程简化,在保证变形精度的同时达到降低模型复杂度的目的;基于遗传算法对蒙皮结构进行全参数同步优化,以获得混合优化变量的全局最优解。研究表明,该方法在兼顾优化效率和制造可实现的基础上,使前缘蒙皮变形的最小二乘误差(LSE)降低60%,最大偏移误差降低64%,可显著提高变形精度。     

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.     

航空用芳纶纸蜂窝各向异性行为研究

采用Arcan加载装置对航空用芳纶纸蜂窝试件进行一系列面外压剪复合加载实验,以此研究材料各向异性行为。实验结果表明:随着面内方向角增加,芳纶纸蜂窝面内等效剪切模量、等效剪切强度显著减小,实验屈服面显著扩张,材料表现出明显的各向异性。基于实验结果,确定了测试蜂窝面内等效剪切模量、等效剪切强度上下限值及其比值关系,并与理论值进行比较。一个适用于各向异性材料的屈服准则与实验屈服面进行比较,比较结果表明:屈服准则能大致描述蜂窝各向异性屈服行为。     

Flexural rigidity of honeycomb consisting of hexagonal cells

In this study,the flexural rigidity of a honeycomb consisting of regular hexagonal cells is investigated.It is found that the honeycomb bending can not be evaluated by using the equivalent elastic moduli obtained from the in-plane deformation because the moments acting on the inclined cell wall are different for in-plane deformation and bending deformation.Based on the fact that the inclined wall is twisted under the condition of the rotation angle in both connection edges being zero,a theoretical technique for calculating the flexural rigidity of honeycombs is proposed,and the validity of the present analysis is demonstrated by numerical results obtained by BFM.     

蜂窝板复合材料的等价弹性模量

运用复合法则计算蜂窝板复合材料的等价弹性模量, 并把此值与有限元法的分析数值计算结果进行比较, 指出在运用复合法则计算等价弹性模量时, 由于未考虑到蜂窝芯板与面板间的位移连续性条件, 其误差将很大; 提出了满足蜂窝芯板与面板间的位移连续性条件下的等价弹性模量理论分析的新的计算方法, 并且通过与有限元法的数值分析结果进行比较, 确认其有效性.      

星型负泊松比多孔材料力学性能及应用研究

论文推导了星型负泊松比多孔材料的泊松比$弹性模量及相对密度的解析表达式"并通过有限元分 析验证了解析表达式的准确性:星型负泊松比多孔材料具有优异的吸能与隔振性能"论文设计了一种船用星型多 孔材料隔振基座:建立了不同层数$壁厚$泊松比的星型多孔材料隔振基座对应的数值有限元模型"探究了星型多 孔材料薄壁结构泊松比$层数以及壁厚对多孔材料隔振基座强度与减振性能的影响:研究表明"减少多孔材料薄壁 结构的层数和壁厚"选用胞元泊松比?%:$的星型多孔材料"可以获得低频隔振效果好$强度高的多孔材料隔振 基。     

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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.     

用均匀化理论分析蜂窝结构的等效弹性参数

在线弹性范围内,根据均匀化理论,并结合有限元方法推导出适用于二维周期性结构的均匀化的有限元格式（Homo FEM）,计算出不同相对密度下的规则蜂窝结构的等效弹性模量Ee和泊松比νe.同时,利用蜂窝结构的代表胞元模型,用常规的有限元方法（FEM）模拟计算出相应的等效弹性参数.最后将两种数值计算结果与己有的理论公式进行了比较和分析讨论.结果表明:在考察的相对密度全场范围内（0～0.4）,HOmO FEM得到的蜂窝结构的 Ee和νe 与 FEM使用平面实体单元模拟计算得到的结果一致吻合,反映出 Homo FEM数值方法的客观准确性和可行性.而 Gibson公式和 W-K得到的等效弹性模量值 Ee只是在较小相对密度的情况下（小于0.15）与数值计算结果吻合.当结构的相对密度较大时,必须考虑胞棱附近区域由应力集中导致的复杂的应力和应变分布的影响.