点阵夹芯圆柱壳抗屈曲性能模拟研究

摘要

点阵夹芯结构是指由两层蒙皮及中间点阵桁架组成的夹层结构，具有轻质高强、减震及隔热性能好、比模量高、可设计性好等优点，广泛应用于航空航天、船舶、建筑等诸多领域。本文通过建立参数与性能的关系，使用有限元分析方法讨论不同点阵参数的金字塔、四面体及KAGOME结构圆柱壳在外载作用下抗屈曲能力的差异。
　　推导出了三种结构点阵单胞相对密度及等效模量与结构参数的关系式，并通过实验进行了验证。使用ANSYS workbench对点阵夹芯圆柱壳进行轴压及外压作用下的特征值屈曲分析，通过正交试验探求圆柱壳蒙皮厚度、单胞数量及杆件粗细对其结构整体抗屈曲能力的影响情况。
　　在轴压及外压作用下夹芯圆柱壳的临界屈曲载荷与三种结构参数均成正相关，轴压作用下，圆柱壳的蒙皮厚度为影响其抗屈曲能力及承压效率的主要因素，芯子的作用十分微弱，三种点阵结构的抗屈曲能力差别不大，蒙皮厚度为3mm的圆柱壳抗屈曲能力明显强于蒙皮厚度为1mm和2mm时。
　　外压作用下，圆柱壳蒙皮厚度的影响依然可观，但此时单胞数量及杆粗的影响也不容忽视，点阵单胞中杆件与蒙皮夹角为45°时，夹芯单胞拥有最高的等效模量，三种结构中，四面体结构拥有最佳的抗外压屈曲性能，点阵参数为蒙皮厚度3mm，单胞数量200个，杆粗4mm的夹芯圆柱壳临界载荷及承压效率最高。单胞数量为20×10，杆粗2mm的四面体点阵夹芯圆柱壳在蒙皮厚度大于3mm时，承压效率开始下降。
　　在热载荷下，热屈曲的部位为热量集中最明显的外蒙皮，所以增多杆件数量或加粗杆件等一些利于换热的手段都会有效增强结构的抗热屈曲性能，相对的会减弱夹芯圆柱壳的隔热能力，影响结构抵抗热屈曲能力的主要参数为单胞数量，其次为杆粗，最后是蒙皮厚度。同时四面体结构的隔热能力最好，而 KAGOME结构拥有最好的抗热屈曲性能。在热力耦合分析中，外压、轴压及热载荷等外载作用强度方差分析的F比分别为14.255、2.158、1.547，外压的作用最容易使圆柱壳发生屈曲，而热载荷及轴压的作用强度较低。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2点阵夹芯结构种类

1.3 点阵夹芯结构的制备工艺

1.4 曲面型点阵结构研究现状

1.5 热场作用下夹芯结构性能

1.6 主要研究内容

第2章点阵夹芯圆柱壳单胞参数计算

2.1 引言

2.2 单胞密度计算

2.3 等效模量及强度计算

2.4 等效平压模量实验验证

2.5 本章小结

第3章 点阵夹芯圆柱壳力场屈曲分析

3.1 引言

3.2 力学分析模型

3.3 力场作用下点阵夹芯圆柱壳的稳定性有限元分析

3.4 本章小结

第4章 点阵夹芯圆柱壳耦合场屈曲分析

4.1 引言

4.2 热分析模型

4.3 点阵夹芯圆柱壳热屈曲分析

4.4 热力耦合作用下点阵夹芯结构应力分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢