复合材料蜂窝夹芯板力学性能及稳定性研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要 .......................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................ II

第1章绪论 (1)

1.1课题来源及研究的目的和意义 (1)

1.2国内外研究现状 (5)

1.2.1 国外研究现状 (5)

1.2.2 国内研究现状 (7)

1.3本文的主要研究内容 (8)

第2章复合材料蜂窝夹芯板相关力学基础 (9)

2.1引言 (9)

2.2相关复合材料结构力学基础 (9)

2.2.1 正交各向异性单层板及其层合板的刚度与强度 (9)

2.2.2 三明治模型芯层等效弹性参数 (11)

2.3蜂窝夹芯结构的屈曲 (12)

2.3.1 蜂窝夹芯结构稳定性概述 (12)

2.3.2 蜂窝夹芯结构屈曲载荷计算 (14)

2.4本章小结 (16)

第3章复合材料蜂窝夹芯板弯曲性能分析 (17)

3.1剪力分配分析 (17)

3.2试验设备及试样概述 (20)

3.3试验过程及结果分析 (22)

3.3.1 极限载荷 (22)

3.3.2 试验过程与破坏模式 (23)

3.4夹芯剪切强度与剪切模量计算 (27)

3.5仿真试验结果对比 (29)

3.5.1 有限元模型建立 (29)

3.5.2 变形形态与总体承载响应 (30)

3.6本章小结 (31)

第4章夹芯壁板稳定性试验与仿真研究 (33)

4.1引言 (33)

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4.2试验设计 (33)

4.2.1 试验模型介绍 (33)

4.2.2 试验设备及模型承载状态 (34)

4.2.3 剪切试验件应变、位移测点布置 (35)

4.3壁板稳定性承载特性仿真分析 (36)

4.4蜂窝夹芯壁板剪切试验结果处理与分析 (39)

4.4.1 极限载荷 (40)

4.4.2 试验结果处理分析 (41)

4.4.3 仿真与试验数据对比 (48)

4.5破坏模式分析 (50)

4.5.1 SA6类壁板破坏模式分析 (50)

4.5.2 SA8类壁板破坏模式分析 (52)

4.5.3 SB6类壁板破坏模式分析 (54)

4.5.4 SB8类壁板破坏模式分析 (55)

4.6试验结果对比评价 (56)

4.7本章小结 (58)

结论 (59)

参考文献 (61)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (66)

致谢 (67)

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第1章绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

先进复合材料优越性能表现在强度、刚度、抗疲劳性，材料的可设计性以及材料吸能性等等。复合材料被广泛应用于航空、航天，船舶，汽车，建筑等各个领域内。对提高结构的性能，减少结构的质量，优化结构的外型等起到了重要的作用[1]。如今，美国波音公司B787和空中客车公司A380以及俄罗斯的SSJ-100等客机大量采用复合材料。复合材料的应用标志着复合材料逐渐取代金属材料，且用复合材料替代金属材料飞机是一个大趋势。

在常用航空复合材料中，蜂窝夹芯结构复合材料作为一种“结构型材料”，如今已经广泛应用于飞机上主承力结构及一些零部件结构。A380作为全球最大的客机，其整流罩、尾翼部分、缝翼、翼端、内饰、底板、天花板、厕所等等采用了蜂窝夹芯结构；国产C919飞机机翼及尾翼也大量采用蜂窝夹芯结构。美国康维尔公司B-58高速轰炸机80%以上面积的尾翼，补翼，扰流板采用了蜂窝夹芯材料，减重35%以上。Nomex?蜂窝具有高耐冲击、耐腐蚀和抗疲劳性能，使得Nomex?蜂窝夹芯结构成为直升机螺旋桨的理想材料等等[2]。

近几年，由于原料成本逐渐降低，复合材料设计的需求又不断增加，应用的行业更加广泛。除了航空应用外，蜂窝夹芯结构在对减重要求越来越高的高速列车上应用越发广泛[2]，如法国ANF隧道列车整个车厢为了减重，车厢内部采用了Nomex?蜂窝芯夹芯和玻璃酚醛蒙皮构成的夹芯结构；德国Transrapid磁悬浮列车的内部墙壁、天花板和地板中均采用了Nomex?纸蜂窝夹芯结构，以提高运营效率。和谐号高铁车厢内部构件如车身壁板、门、天花板盖板、隔板等等均采用了蜂窝夹芯结构；美国著名的旧金山海湾高速列车（BART）内饰和地板也大量地采用了Nomex?蜂窝芯材和玻璃酚醛蒙皮构成的蜂窝夹芯结构。

船艇的船体用蜂窝夹芯结构这种高强度轻质材料进行加固，不仅提高了船艇的性能，也有利于生产加工。新的美国海岸警卫队快艇客舱隔板采用了Nomex?蜂窝结构取代石棉板，重量减少了9吨多[2]，而且消除了可能出现的健康危害。

复合材料应用在汽车行业已经不是新鲜事，夹芯结构的汽车质量更轻，抗撞击吸能性更好,安全舒适性提高，广泛应用在汽车行业中。如今的家用轿车也少量的采用复合材料，以其优越的疲劳性能使顾客节省后续的维修费用，应用