含缺陷金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析與失效評估研究.pdf

1、隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，大尺寸空間曲面的薄壁高溫合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為高超聲速戰(zhàn)斗機(jī)和巡航導(dǎo)彈中金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，目前已經(jīng)成為最新的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的陶瓷熱防護(hù)系統(tǒng)相比，金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有超輕質(zhì)、高強(qiáng)韌、抗沖擊、防水防潮、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接和結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)等諸多顯著優(yōu)點(diǎn)。但是金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在制備和服役過程中往往會產(chǎn)生不同類型的隨機(jī)缺陷，勢必會對相應(yīng)構(gòu)件的力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響，然而只要帶有缺陷的金屬蜂窩夾層板能夠滿足使用

2、過程中各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)要求，相應(yīng)構(gòu)件仍然具備服役能力。因此本文旨在通過實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究金屬蜂窩夾層板存在的三類典型缺陷對結(jié)構(gòu)拉、壓、彎、剪等力學(xué)性能的影響，進(jìn)而得出一套完整、可靠的失效評估方法。本文的研究成果不但可以對今后金屬蜂窩夾層蓋板的生產(chǎn)加工、安全服役和維修維護(hù)起到指導(dǎo)作用，而且還能為將來在更為復(fù)雜的熱力耦合作用下大尺寸空間曲面金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的有限元法數(shù)值模擬積累分析經(jīng)驗(yàn)。
　　文中首先闡述了課題背景以及

3、研究的目的與意義，隨后對本文的研究對象點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)與作為芯子的多孔材料進(jìn)行分類，并分別從理論分析、實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬等三個(gè)方面對其力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述性總結(jié)。
　　其次對金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的制備工藝進(jìn)行了深入的研究，對制備和服役過程中可能產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了分類總結(jié)，并且針對每種缺陷的形成原因以及消除方法逐一進(jìn)行分析。特別針對金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)最具代表性的三類缺陷的制備工藝和檢測方法進(jìn)行了著重闡述。
　　然后通過實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)

4、值模擬相互驗(yàn)證，本文分三部分重點(diǎn)研究了以下三類典型缺陷對結(jié)構(gòu)各項(xiàng)力學(xué)性能的影響。
　　對無缺陷的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行共面拉伸和壓縮、異面拉伸和壓縮、三點(diǎn)彎曲以及面內(nèi)剪切等力學(xué)性能測試，并對試件斷口的微觀形貌進(jìn)行掃描觀測，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對試件在不同載荷形式下的強(qiáng)度和破壞模式分別進(jìn)行分析總結(jié)，利用力學(xué)理論公式求得的解析解與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證本文在多種載荷條件下測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。并在相同載荷條件下利用無缺陷試件的測試結(jié)果與含

5、有不同尺寸芯子脫焊缺陷的試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對比分析，找出結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)力學(xué)性能與芯子脫焊缺陷尺寸之間的函數(shù)關(guān)系，最后對應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的損傷尺寸繪制出結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的擬合曲線，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和借鑒。
　　對含有面芯脫焊缺陷的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件作與上節(jié)所述相同載荷條件下的力學(xué)性能測試，并對所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分組處理，與無缺陷的試件測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，進(jìn)而找出結(jié)構(gòu)試件在不同載荷條件下的力學(xué)性能隨缺陷尺寸增加而衰減的規(guī)律；通過觀察試件的

6、破壞形貌推斷其破壞機(jī)理，可以判斷結(jié)構(gòu)的破壞模式是否受到缺陷尺寸的影響。為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS對加載過程中結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值仿真，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行了比對分析，可以清楚地觀察到結(jié)構(gòu)在加載過程中塑性應(yīng)變與內(nèi)部應(yīng)力的分布規(guī)律和演化過程。最后對應(yīng)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的損傷尺寸繪制出含有面芯脫焊缺陷的結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的擬合曲線。
　　對含有結(jié)構(gòu)穿透缺陷（包括 Crack、Hole和Notch

7、三種缺陷形式）的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件作相同載荷條件下的力學(xué)性能測試和數(shù)值模擬分析。為了找出試件的力學(xué)性能隨穿透缺陷尺寸增加而衰減的規(guī)律，需要對實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分組處理，并與無缺陷試件的測試結(jié)果進(jìn)行對比分析；而且可以通過觀察結(jié)構(gòu)的破壞形貌推斷其破壞模式。進(jìn)而利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，進(jìn)一步證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，而且還可以準(zhǔn)確地模擬出試件的真實(shí)破壞過程。最后對應(yīng)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的損傷尺寸繪制出含有結(jié)構(gòu)穿透缺陷的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的擬合曲