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。     

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．     

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。     

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.     

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.     

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.     

基于等效刚度的矩形孔蜂窝梁钢框架结构内力计算方法

蜂窝梁钢框架结构因梁截面沿长度周期性变化,不能直接采用普通钢框架结构矩阵位移法计算框架内力和位移．本文基于等效刚度法推导了矩形孔蜂窝梁的等效抗弯刚度、抗剪刚度和轴向刚度,建立了矩形孔蜂窝梁的单元刚度方程,提出了矩形孔蜂窝梁钢框架内力和位移计算方法．算例理论计算结果与有限元分析结果表明,两种方法计算结果非常接近．本文提出的等效刚度法概念清晰,准确性好,适用于计算蜂窝梁钢框架结构的内力和位移．     

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。     

金属蜂窝夹芯板等效弹性模量的实验测试

总结了以往所用的金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量的计算方法。在此基础上提出了金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量的实验测试方案。通过三点弯曲线载荷两端简支板的挠度测试，得到金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量，并与非金属复合材料如玻璃钢材料的等效弹性模量方法进行比较，说明金属蜂窝板的等效弹性模量计算与非金属蜂窝板之间存在较大的差异。证明金属蜂窝夹芯板的等效弹性模量实验测试方案是有效可行的。     

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.      

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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.     

周期性点阵类桁架材料等效弹性性能预测及尺度效应

比较了Dirichlet型和Neumann型边界条件下的代表体元法及均匀化方法对具有周期性结构的点阵类桁架材料等效弹性性能的预测结果.数值结果表明,Dirichlet型和Neumann型边界条件下的代表体元法所得结果随着参与模拟的单胞(微结构的最小周期)个数的增加,分别从上下界逼近均匀化方法的结果.对于一类具有特殊微结构的桁架材料,只需一个单胞即可充分逼近均匀化结果.指出产生尺度效应的判据是,对Dirichlet型边界条件下的代表体元法,单胞公共边界处的节点支反力是否平衡;对Neumann型边界条件下的代表体元法,单胞边界间变形是否协调.最后,我们证明了对于一类均匀化方法求解中没有广义自由度的桁架材料,其均匀化结果就是各构件性能按照体积份数加权平均得到.     

三角形夹芯板夹心层的等效弹性常数

推导了三角形夹芯板夹心层的等效弹性常数,为验证所推导的弹性常数的合理性,用NASTRAN有限元计算程序对两种模型进行了静力计算比较,一种是用所推导的弹性常数将夹心等效后,以层合板的形式进行计算的模型,另一种是对整个结构直接采用板单元进行计算的模型.计算结果表明:两种模型结果吻合良好.     

确定裂纹体等效弹性模量的边界元方法

采用边界元方法计算含有序分布裂纹的裂纹体在压缩载荷作用下的等效弹性模量，利用一种能适当考虑裂纹有间相作用的自洽理论，建立了相应的迭代格式，通过算例研究了裂纹方向，裂纹面间摩擦系数对裂纹体等效弹性模量的影响。     

应用CBR确定面心立方金属的表面弹性参量

首先从能量变分出发基于同时考虑应变梯度效应和表面效应的跨尺度力学理论, 推导出表面能和表面弹性本构等基本关系, 然后基于简单的准连续Cauchy-Born法则(CBR)建立一种确定表面能密度以及表面弹性参量的方法.进一步以面心立方(face-centre-cubic,FCC)金属为例, 系统地获得了常用FCC金属表面弹性参量的数值, 结果与他人应用分子动力学计算得到的结果相吻合.