工艺小孔对一体化蜂窝板力学性能的影响及对策研究

摘要

蜂窝板（蜂窝夹层结构）是一种典型的轻质高强结构，具有抗震、隔音、隔热等优点，已经广泛应用于交通、航空、建筑等行业。近年来，在地震和洪水等自然灾害的应急工程中多有应用，包括架设应急桥梁、抢建临时用房等方面。
　　本文通过制备完全一体化蜂窝板及其三点弯曲实验，从样品的破坏形态、荷载-位移曲线等方面，探讨了制备完全一体化蜂窝板时所留下的工艺小孔的有孔面朝向对其弯曲力学性能的影响情况。再利用有限元模拟分析手法，考察了工艺小孔直径对蜂窝板整体抗弯性能的影响程度及一体化蜂窝板结构对其弯曲性能的综合影响。最后通过实验和有限元分析方法探讨了仿生一体化蜂窝板的压缩破坏形态和力学性能。结果表明:
　　(1)有孔面朝向对弯曲性能起着决定性作用:不论小孔的朝向如何，破坏均发生在下面板;有孔面朝上时能充分发挥材料本身的强度。究其原因，在于玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料的抗压强度高，抗拉强度低，而在弯曲过程中上、下面板分别处于受压和受拉的应力状态以及工艺小孔在压应力状态下比拉应力时更不容易产生应力集中。
　　(2)工艺小孔在拉应力状态下对蜂窝板的抗弯性能的影响很大，特别是样品本身存在初始缺陷时这种影响更加明显;当需要在受拉板材或构件上开孔时，提出了将小孔设计成椭圆形的设计手法，从而达到大幅缓解孔边应力集中的效果，这一现象为一体化蜂窝板承受动荷载或疲劳荷载实验提供了设计思路;首次通过有限元法印证了仿生一体化蜂窝板弯益破坏的形态，并探明了有小柱的仿生一体化蜂窝板中的小柱可以有效阻止裂缝形成并使其沿着特定路径发展的机理。这为实际工程中开发仿生蜂窝板及类似构件的小孔设计提供了理论依据。
　　(3)一体化蜂窝板的压缩破坏发生在芯层和边框;其破坏形态可分为错位型和压实型两类，主要是由于芯层与面板交界处的应力集中和短纤维分布的无序性。尽管本次实验所仿制的一体化蜂窝板还不够完善，但其质量比抗压强度已经优于同类仿生样品，由此表明生物结构具有优秀的整体性力学性能。根据甲虫前翅中小柱的结构参数提出了蜂窝壁与面板之间过渡圆弧直径的参数范围。为完善仿生一体化蜂窝板结构，提高其压缩力学性能指明了研究方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外有关蜂窝结构的研究现状

1．2．1 传统蜂窝夹层结构及其力学特点

1．2．2 传统蜂窝夹层结构的成型工艺

1．2．3 一体化蜂窝板结构的研究现状

1．3 本文研究内容

第二章 工艺小孔对一体化蜂窝板弯曲性能影响的实验分析

2．1 引言

2．2 实验材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 一体化蜂窝板的制备方法

2．2．3 三点弯曲实验测试方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同有孔面朝向的一体化蜂窝板弯曲的破坏形态

2．3．2 一体化蜂窝板弯曲的荷载-位移曲线

2．3．3 含工艺小孔的一体化蜂窝板的弯曲力学性能

2．4 本章小结

第三章 工艺小孔对一体化蜂窝板弯曲性能影响有限元分析

3．1 引言

3．2 解析模型与方法

3．3 解析结果与讨论

3．3．1 小孔所受应力状态对样品力学性能的影响

3．3．2 板厚的影响

3．3．3 小孔直径和曲率的影响

3．3．4 仿生一体化蜂窝板结构对弯曲性能的综合影响

3．4 本章小结

第四章 一体化蜂窝板压缩力学性能的实验研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 平压实验

4．2．2 结构建模与解析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 一体化蜂窝板压缩破坏形态及其荷载-位移曲线

4．3．2 一体化蜂窝板的压缩性能

4．3．3 一体化蜂窝板的改进举措

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要研究结论

5．2 存在问题及课题展望

参考文献

硕士在校期间发表论文情况

致谢