轻质夹层多功能结构一体化设计

对于飞行器,减轻结构重量,提高有效载荷是设计者追求的永恒主题. 飞行器通常处于较为特殊和复杂的环境下,因此除需要考虑结构的承载能力外,还应兼顾一种或多种功能. 本文概述了集承载与热控、防热、电子、隐身、吸能、作动、储能、阻尼等多功能特性于一体的轻质夹层多功能结构研究成果,汇总了轻质夹层多功能结构在卫星、无人机、高超声速飞行器等领域的发展情况. 最后,对轻质点阵多功能结构的发展前景进行了展望.     

非对称结构铝合金波纹夹层板的三点弯曲力学性能研究

针对车辆轻量化问题,通过模压和胶结技术,制作了比现有实心铝合金板减重20%的具有平台结构的铝合金非对称结构波纹夹层板。对三点弯曲加载条件下非对称结构波纹夹层板的破坏模式进行了理论分析,得到了该结构的三点弯曲破坏模式图。通过三点弯曲加载测试,对比分析了实心板材与非对称结构铝合金波纹夹层板的三点弯曲性能,并验证了非对称结构波纹夹层板的破坏模式。研究结果表明,在三点弯曲载荷作用下,非对称结构铝合金波纹夹层板的刚度和强度均显著高于现有的实心板材,厚度为10mm、15mm波纹板的弯曲刚度分别是实心板的4.4倍、8.9倍,二者的弯曲强度分别是实心板的1.4倍以上、2倍以上。     

冲击波与破片对波纹杂交夹层板的联合毁伤数值研究

通过有限元软件LS-DYNA模拟了波纹杂交夹层板在冲击波与破片联合作用下的响应过程,研究了炸药当量、载荷类型和填充方式对波纹杂交夹层板变形与失效模式的影响,并与实体板、间隔板和波纹夹层板的抗联合毁伤性能进行了对比,讨论了波纹杂交夹层板的能量吸收特性。数值计算结果表明:与冲击波单独作用相比,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用对结构造成的毁伤更为严重;当药量较小时,波纹夹层板和波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能优于实体板与间隔板,波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能从全填充、迎爆面填充到背爆面填充逐渐降低;当药量较大时,所有结构均产生破口失效;在能量耗散方面,冲击波单独作用时以波纹芯层吸能为主,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用时以上面板吸能为主。     

仿生波纹夹层结构耐撞性分析及优化

为提高薄壁夹层结构耐撞性,以虾螯为仿生原型,设计梯度分布的仿生波纹形夹层结构,包括单层、双层和三层波纹结构。以初始峰值载荷F_p、比吸能E_s为耐撞性指标,利用有限元法分析了单元高宽比γ（γ₁、γ₂和γ₃分别为单元第1层、第2层和第3层的高宽比）对波纹夹层结构耐撞性的影响,采用多目标粒子群优化方法得到了夹层结构最优参数。结果表明,单层波纹结构耐撞性随单元高宽比γ的增大逐渐变差,双层波纹结构下层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响大于上层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响,较小的γ值有利于提高三层波纹结构的比吸能。结构优化结果表明:单层结构最优尺寸γ₁为0.8;双层结构最优尺寸为γ₁ = 0.5和γ₂ = 1.2;三层结构最优组合为γ₁ = 0.6,γ₂ = 0.6和γ₃ = 0.9。上述结果可为薄壁夹层结构轻量化设计提供新思路。     

具有填充材料的金属格栅夹层板在高速冲击下动态响应的数值分析

利用大型非线性有限元程序ABAQUS和LS-DYNA,对具有填充材料的金属格栅结构的冲击问题进行数值模拟.研究了不同的填充材料(金属泡沫和陶瓷)分别填充到不同的格栅构型(波纹型、蜂窝型和加强六边形)夹层板后,各类夹层板受到金属泡沫子弹和不锈钢子弹冲击时变形与能量吸收特性,探讨了夹层板上下面层板、支撑格栅及填充材料等各部分的吸能比率.研究结果表明,泡沫填充夹层板在缓冲吸能方面具有优势,陶瓷填充夹层板则在抵抗冲击穿透方面更具有优势,不同构型的夹层板,性能略有不同.     

轻质多孔材料研究进展

高超声速武器是军事装备的发展方向,在未来战争中起着重要作用.轻质材料是高超声速飞行器设计与制造的关键技术之一,它是实现高超声速飞行器高超声速、高机动性、远程打击等性能的基础和保障.高超声速飞行器轻质材料主要有蜂窝材料、泡沫金属材料、点阵材料.这些材料具有超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽等特殊性质,它兼具功能和结构双重作用,是一种性能优异的多功能材料.本文从材料制备、结构设计、力学与物理性能表征等方面综述了高超声速飞行器轻质材料的研究与应用现状,比较了三种轻质材料的机械和物理性能,重点评述了新型点阵材料的制备工艺、结构构型、力学及其他性能,指出了其发展趋势.     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22\,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.      

格栅结构力学性能研究进展

格栅复合材料是一种新型轻质高强材料. 综述了格栅复合材料的周期构型特征和格栅结构的制备工艺. 归纳了二维周期格栅材料的等效刚度矩阵计算方法, 比较了不同构型格栅的基本力学性能, 介绍了胞元材料的微极弹性理论和格栅的强度与屈服面计算方法. 探讨了格栅的缺陷及其力学响应, 包括格栅的尺度效应、夹杂缺陷以及裂纹扩展特征, 介绍了波在格栅材料中传播机理的最新研究成果. 根据格栅材料在工程中的应用形式, 分类介绍了格栅板壳结构、格栅加筋板壳结构和格栅夹层结构的结构特点和破坏方式、设计优化准则和实验研究成果. 还归纳了作者所在研究小组近期在碳纤维格栅复合材料的制备、实验研究和理论分析等方面的最新工作进展.      

轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展

多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构,具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性,在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注,且已有诸多成功的工程应用案例,是一类极具潜力的先进轻质高强多功能一体化结构.为阐明轻质多孔夹芯结构的抗侵彻特性与耗能机理,进一步拓展轻质多孔夹芯结构的工程应用范围,对轻质多孔夹芯结构弹道侵彻行为的研究成果进行了系统的综述和展望,依据轻质多孔夹芯结构的结构特征及类型,分别评述了不同类型多孔夹芯结构的抗弹道侵彻破坏机制、能量耗散机理及轻量化设计等方面的研究,展望了未来多孔夹芯结构在抗弹道侵彻研究领域面临的问题和挑战.     

轻质夹层材料的制备和振动声学性能

轻质夹层材料被广泛地用来制备动车组车体和飞机的机身,其结构设计面临着一系列挑战:即同时要求质量轻、力学强度高、散热性能好、动力学性能和隔声性能可调等多功能特性.针对动车组高速运行和飞机飞行过程中经常面临的振动及噪声问题,以及如何在现有的材料和结构基础上进一步减轻重量并获得更优良的综合性能是材料制备、固体力学、流体力学、声学、智能材料和结构、优化设计等诸多领域工作者面临的共同挑战.结合近年来围绕"超轻多孔结构创新构型的多功能化基础研究"国家基础研究计划项目所开展的一系列工作,综述了有关轻质三明治材料及结构振动和声学特性的国内外研究进展及现状,以及相应的主被动控制技术;针对目前存在的问题,讨论并展望了有关轻质材料和结构动力学性能及隔声性能的研究发展趋势.     

面向增材制造的双蒙皮夹层结构加筋拓扑优化方法

双蒙皮夹层结构是航空航天装备中的特殊承力结构,其典型代表为发动机尾喷管中的同步环构件。近年来,增材制造技术为该类薄壁结构的创新型设计提供了有利条件。但增材制造有其特殊的工艺要求,基于传统拓扑优化得到的设计结果往往存在大量的悬空区域,无法直接应用于增材制造工艺。因此,需要在优化设计阶段统筹考虑结构的力学性能和自支撑工艺约束。针对上述问题,本文提出了一种面向增材制造的双蒙皮夹层薄壁结构加筋拓扑优化方法,可在一次优化中同时得到优化的加筋布局和非均匀点阵分布,从而解决悬空结构的支撑问题,确保优化结果的工艺可达性。为了平衡计算成本和分析精度,本文采用渐进均匀化方法来求解不同类型单胞等效弹性性能,以适应不同复杂单胞构型。基于上述方法,本文给出了某发动机同步环结构的拓扑优化算例,结果表明,本文优化设计方法可以实现双蒙皮夹层结构中夹层加筋和点阵的共同优化,为航空航天装备中发动机同步环结构轻量化设计提供了思路。     

Theoretical model for sound transmission through finite sandwich structures with corrugated core

Due to the promising applications of lightweight double-leaf structures in noise control engineering, numerous investigations have been performed to study the vibroacoustic properties of these structures. However, no attention has been focused on the vibroacoustic properties of finite double-leaf structures with corrugated core used extensively in constructing the hulls of bullet passenger trains. In the present paper, a theoretical model is developed to predict the sound transmission loss (STL) characteristics of simply supported double-leaf partitions with corrugated core. The boundary conditions are accounted for by writing the displacements of the face plates in a series form of modal functions. The model predictions are validated by comparing with existing experimental measurements. The vibroacoustic properties of the sandwich construction are examined and the physical mechanisms for sound transmission through the structure explored, including the phenomena of ‘coincidence resonance’ and ‘standing wave resonances’. The effects of structural links, structural dimensions, inclination angle of the corrugated core, as well as the thickness of face plates and core layer on the STL are systematically investigated.     

Strength optimization of metallic sandwich panels subject to bending

A general methodology for the design of strong, lightweight sandwich panels is described and implemented. Several core topologies are considered, including square-section truss members in pyramidal and tetrahedral configurations, square honeycombs, and corrugated sheets. When the number of independent design parameters is restricted to three, closed-form analytical solutions for the optimal design are obtained. Alternatively, when a fourth parameter is added (as needed to fully characterize the panel geometry), numerical routes are required. The results demonstrate that the three parameter optimizations yield design weights that are only slightly heavier than those of the fully optimized panels, provided the value of the fourth parameter is selected judiciously. The weight rankings of the various core topologies change with load capacity, although the differences between them are generally small, particularly upon comparison with the weight of a solid panel.     

金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应

通过理论和数值方法，对冲击载荷下金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了研究。考虑材料应变率影响，建立了金属正交波纹夹芯结构动态响应的理论模型，同时对它的动态压缩响应进行了有限元模拟。结果表明，考虑材料应变率影响的理论模型的预测结果与有限元模拟结果吻合较好。进一步对多层正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了数值模拟，获得了不同速度冲击下的变形模式，分析了层数对其动态响应的影响。研究发现，通过增加层数能够有效地增强结构的缓冲吸能能力，但层数超过4层以后增强效果不明显。     

Deformation and Failure Modes of I-Core Sandwich Structures Subjected to Underwater Impulsive Loads

This article reports an experimental study carried out with the aim of quantifying performance and failure modes of sandwich structures when subjected to impulsive blast loading. In particular, performance enhancement with respect to solid panels of equal mass per unit area is assessed. Likewise, the optimal distribution of the mass per unit area in the design of sandwich structures is investigated by comparing the behavior of sandwich structures with various distributions of face sheets thickness. By employing a previously developed FSI experiment, the study confirmed that usage of sandwich structures is beneficial and that performance enhancements, in terms of maximum panel deflection, as high as 68% are possible. The study also confirms theoretical and computational analyses suggesting that use of soft cores maximizes the benefits. Another interesting aspect revealed by this work is that the level of enhancement is highly related to the applied normalized impulse. The same distribution of mass per unit area between face sheets resulted in different normalized maximum deflection. A better performance enhancement was achieved at lower impulses. Here again, failure modes and their sequence seem to be the directly related to this finding. The work here reported clearly reveals a number of important features in the study of lightweight structures and points out to the synergies between structure geometry, materials, manufacturing methods, and threat levels as manifested by the strength of the impulse. Further theoretical and computational studies accounting for experimentally observed failure modes and its interdependence with the fabrication methods is needed to achieve additional predictive capabilities.     

基于双曲面蜂窝夹层结构等效模型的研究及数值分析

蜂窝夹层结构在轻量化设计领域一直备受关注,相关的理论研究也日趋完善.然而,很多研究主要集中在平面蜂窝夹层结构上,而对于曲面结构的相关研究甚少.本文对双曲面蜂窝夹芯进行了力学分析,建立了曲面蜂窝夹层板的等效力学模型,同时建立了双曲面蜂窝夹层板详细模型和基于三明治夹层板理论以及曲面夹层板理论的等效模型,最后通过有限元方法对...