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轻质金属点阵夹层板热力载荷失效行为研究进展
作者:袁武、宋宏伟      发布时间:2016-08-24       打印                【关闭】

点阵夹层板具有高比刚度、高比强度、隔热、隔震、耐冲击和可设计性强等特点,在高速飞行器热防护结构等领域具有广阔的应用前景。在极端的热力环境条件下,轻质金属点阵夹层板可能会依据载荷条件、结构尺寸、拓扑构型等出现不同的失效机理与失效模式,掌握其在热力载荷下的失效行为对于航天热结构轻量化设计具有重要意义。热结构耦合力学课题组近年来在轻质金属点阵夹层板热结构失效行为的理论、分析与测试等方面取得了一系列研究进展。

热屈曲是大面积金属热防护结构主要的失效形式之一。开展金属夹层板热屈曲试验,热-机械载荷的相互冲突是长期困扰研究者的一个难点,另外传统的单点、接触式测量方式对于高温下的大面积夹层板也难以适用。课题组设计新型的夹层板热屈曲实验装置,通过金属夹层板与夹持装置的热膨胀系数差异来提供面内载荷,从而避免了热-力边界条件的相互冲突。将非接触式光学测量方法3D-DIC引入到热屈曲实验中,全场实时测量获得了金属点阵夹层板热后屈曲行为,发现了缺陷对夹层板屈曲变形行为的影响(W Yuan, H.W. Song, X. Wang, C.G. Huang. AIAA Journal, 2015, 53:948-957)。在理论方面,建立起均匀温升条件下金属点阵夹层板热屈曲控制方程,通过对未知变量进行双重傅里叶展开获得了四边固支条件下点阵夹层板的特征值方程,并分析了结构几何参数对临界屈曲温度的影响规律(W Yuan, X. Wang, H.W. Song, C.G. Huang. Journal of Thermal Stresses, 2014, 37:1433-1448.)。进一步通过变分原理建立了均匀温升条件下的四边简支点阵夹层板热后屈曲大挠度控制方程,并以中心挠度作为小参量进行摄动展开得到了后屈曲平衡路径,分析了结构参数对热后屈曲行为的影响规律 (W Yuan, H.W. Song, C.G. Huang. Journal of Thermal Stresses, 2016, 39:156-159.)

在热力载荷下,金属点阵夹层板除了热屈曲之外还存在面板屈曲、面板屈服、夹芯屈曲与夹芯屈服等多种复杂的失效模式,各种失效模式之间的竞争关系、发生的阈值与条件是值得深入研究的课题。通过理论分析建立了均匀温升条件下不同边界条件、热加载条件和结构尺寸的金属点阵夹层板失效图谱,通过数值优化算法对轻质金属点阵夹层板进行了优化设计,得到了满足热结构安全裕度条件下的最优轻量化结构参数(W Yuan, H.W. Song, X. Wang, C.G. Huang. International Journal of Mechanical Sciences, 2016, 115-116:56-67)

制备过程中的初始缺陷或使用过程的局部损伤可能会对点阵夹层板的基本力学性能产生较大影响。课题组进一步对面内压缩下的金属点阵夹层板的缺陷敏感性进行了试验研究和模型分析。研究表明,含缺陷的金属点阵夹层板在面内载荷下的失效行为对缺陷的位置、排列与程度非常敏感:与加载方向平行及中心处的点阵胞元缺焊以及胞元缺失对点阵夹层板的临界载荷影响较小;而与加载方向垂直的缺陷则显著地降低了点阵夹层板的临界载荷,随着缺陷程度的增加,夹层板的失效模式从面板屈曲向局部屈服转变 (W Yuan, H.W. Song, L.L. Lu, C.G. Huang. Composite Structures, 2016, 149:271-278)

在自然科学基金重大研究计划等的支持下,基于热力失效行为的优化设计表明,点阵增强的方转圆隔离段结构比传统设计质量减轻了21%,同时最大离面热变形降低了62%。课题组克服了大尺寸含冷却通道的薄壁板件机加、点阵材料制备与高温连接、异形非规则型面上点阵节点多次钎焊等困难,率先制备出了点阵增强的主动冷却发动机壁板与隔离段样件。

 

1 大面积金属点阵夹层板热屈曲全场变形测量结果

(AIAA Journal, 2015, 53:948-957) 

 

2 金属点阵夹层板热后屈曲路径随细观构型、相对密度和面板厚度的变化

(Journal of Thermal Stresses, 2016, 39:156-159) 

 

3 四边固支条件下金字塔点阵夹层板在面内热载荷下的失效图谱

(International Journal of Mechanical Sciences, 2016, 115-116:56-67) 

 

4 缺陷程度和缺陷排布对金属点阵夹层板临界载荷的影响

(Composite Structures, 2016, 149:271-278) 

 

5 点阵增强方转圆异形隔离段结构制备过程

 

热结构耦合力学课题组供稿

  
 
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