蜂窝夹芯结构面外等效弹性模量与等效导热系数研究

摘要

蜂窝夹芯结构具有较高的比强度、比刚度和优良的隔热隔振性能，被广泛应用于航空航天结构件中。蜂窝夹芯结构也是高超音速飞行器金属热防护系统面板的理想候选材料，其正交各向异性的力学和热学性能给金属热防护系统的设计和分析带来了许多不便。因此，对蜂窝夹芯结构进行力学性能和热学性能等效，获得其等效弹性参数和等效热学参数，对于金属热防护系统的设计和分析具有十分重要的意义。本文主要进行蜂窝夹芯结构面外宏观等效弹性模量和等效导热系数的研究。本文主要包括五个方面内容：第一，基于最小势能原理和最小余能原理，选择比Kelsey模型所用表征单元更简化的单元为研究对象，推导出了与之完全相同的蜂窝芯体面外等效弹性模量的解析表达式;第二，采用有限元法预测了一组典型的商用正六边形蜂窝芯体的面外等效弹性模量，并将解析解模型预测值、有限元模型预测值与厂家公布的材料试验数据进行了对比;第三，论文提出了一组基于解析解模型的修正公式用于预测与分析典型正六边形蜂窝芯体的面外等效弹性模量;第四，采用工程分析方法，对蜂窝夹芯结构面外整体弹性性能进行等效;第五，采用航空航天领域应用较为广泛的Swann-Pittman等效导热半经验公式预测了金属蜂窝的面外等效导热系数，并进行了蜂窝夹芯板面外整体导热系数的等效，分析了蜂窝夹芯板面外整体等效导热系数随蜂窝几何尺寸的变化规律。