胞元结构参数对蜂窝铝芯力学性能的影响研究

摘要

作为一种高强度轻质工程材料,蜂窝铝芯夹层结构复合材料以其密度小、比强度高、可设计性强等优点广泛应用于航空航天、交通等各个领域。近年来,风力发电技术的快速发展对风力机叶片材料的要求越来越高。目前普遍采用的风力机叶片材料除玻璃纤维和碳纤维复合材料外,蜂窝铝芯夹层结构复合材料具有轻质、便宜、可回收利用等优点,是一种理想的绿色轻量化风力机叶片材料。由于实际工程应用中的蜂窝铝芯并不是完美的正六边形,且蜂窝铝芯的宏观力学性能受其微观结构的影响,因此,本文主要研究了微观结构参数对蜂窝铝芯力学性能的影响。
　　基于有限元法相结合的均匀化理论,采用ANSYS APDL参数化建模方法,建立了不同胞元结构参数(高长比、厚长比及胞壁夹角)下非规则双壁厚蜂窝铝芯的细观力学模型,并采用MATLAB语言编写了计算蜂窝铝芯宏观等效特征参数的均匀化有限元程序,计算了不同高长比、不同厚长比及不同胞壁夹角下蜂窝铝芯的宏观等效特征参数,预测了胞元结构参数对蜂窝铝芯宏观等效特征参数及材料效率的影响规律。
　　在胞壁中加入弹性增强颗粒可进一步提高蜂窝铝芯的综合力学性能。本文利用二次均匀化方法对胞壁中含有弹性增强相的蜂窝铝芯的力学性能进行了数值研究。利用MATLAB语言编写二次均匀化有限元程序,分析了增强颗粒的性能、截面形状和体积分数对增强蜂窝铝芯等效弹性常数的影响规律。
　　利用ANSYS软件,模拟计算了不同高长比、不同厚长比及不同胞壁夹角下非规则双壁厚蜂窝铝芯的应力强度,得到了胞元结构参数对蜂窝铝芯应力强度的影响规律。
　　分析得到的胞元结构参数对蜂窝铝芯宏观等效力学性能及材料效率的影响规律对蜂窝铝芯的优化设计具有参考意义,并为其在风力机叶片及其它工程应用中提供指导。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 蜂窝铝芯力学性能的研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 多孔材料中的渐近均匀化方法

2.1 均匀化方法的基本理论

2.2 小参数渐近展开及均匀化过程

2.3 均匀化方法的有限元形式

2.4 均匀化周期性边界条件的施加

2.5 均匀化方法的MATLAB程序实现

2.6 数值算例

2.7 本章小结

第3章 胞元结构参数对蜂窝铝芯宏观等效表征性能的影响

3.1 蜂窝材料中的均匀化方法

3.2程序实现及数值算例

3.3 胞元结构参数的影响

3.4 本章小结

第4章 颗粒增强蜂窝铝芯等效弹性性能预测

4.1 二次均匀化方法及其应用

4.2 颗粒形状的影响

4.3 体积分数的影响

4.5 本章小结

第5章 胞元结构参数对蜂窝铝芯材料效率的影响

5.1 蜂窝铝芯材料效率的预测

5.2 胞元几何参数的影响

5.3 蜂窝铝芯结构轻量化设计

5.4 本章小结

第6章 胞元结构参数对蜂窝铝芯应力强度的影响

6.1特征单胞及其载荷边界条件

6.2 胞元结构参数的影响

6.3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A (攻读硕士学位期间已公开发表的论文)