冲击载荷下蜂窝及其夹芯结构力学行为研究

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1、学校代码：10286分类号：O34;TB331密级：公开UDC：531学号：139085冲击载荷下蜂窝及其夹芯结构力学行为研究研究生姓名：张大海导师姓名：费庆国申请学位类别工学博士学位授予单位东南大学一级学科名称力学论文答辩日期2018年06月21日二级学科名称工程力学学位授予日期2018年月日答辩委员会主席周星德评阅人2018年06月16日博士学位论文冲击载荷下蜂窝及其夹芯结构力学行为研究专业名称：工程力学研究生姓名：张大海导师姓名：费庆国本论文获国家自然科学基金项目（11572086）和江苏省杰出青年科学基金项目（BK20170656）

2、资助。MECHANICALBEHAVIOROFHONEYCOMBSANDSANDWICHPANELSUNDERIMPACTLOADINGADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYZHANGDa-haiSupervisedbyProf.FEIQing-guoDepartmentofEngineeringMechanicsSoutheastUniversityJune,2018摘要摘要轻质蜂窝及其夹芯结构以其高比强度

3、、高比刚度以及优异的性能可设计性等特点广泛应用于航空航天、交通运输以及个人防护等各种国防以及民用工业领域。服役过程中，蜂窝及其夹芯结构会面临各种各样的冲击问题。本文针对蜂窝材料压剪组合下的力学行为、自相似及非自相似的层级蜂窝力学特性和蜂窝夹芯面板的低速落锤冲击等问题，分别采用试验研究、理论分析和数值模拟等方法开展研究，以揭示冲击载荷作用下蜂窝及其夹芯结构力学特性与宏细观结构特点之间的关系，以及结构压缩变形和能量吸收耗散机理。针对传统六边形蜂窝，设计搭建了一套可实现压剪载荷单独测量的测试系统，克服了压剪载荷解耦的难题，并开展了多工况蜂窝压剪组

4、合试验。研究发现，压剪组合作用下蜂窝材料出现两种变形失效模式，分别表现为面外法向轴线旋转和不旋转。变形模式对冲击响应影响显著，轴线旋转变形模式下会出现负的剪切力。加载角度和加载平面对变形模式、冲击响应以及平台应力等影响各不相同。可以采用椭圆形包络线对蜂窝材料的初始屈服强度进行有效拟合估计。针对层级圆管结构，通过全部或部分的层级设计，生成了一种完全替代层级圆管和一种部分替代层级圆管。分别开展了两种结构压缩行为及吸能特性研究，建立了层级结构参数，包括微元尺寸和数量，与结构变形模式、平台压缩力以及能量吸收之间的关系。研究表明，通过合适的层级设计可

5、以大大提升薄壁圆管结构的抗冲击性能以及吸能特性。针对基于顶点替代的自相似层级蜂窝，采用超级折叠单元法建立了面外平台压缩力解析模型，重点讨论了层级阶次对平台压缩力的影响。研究表明，自相似层级设计可以显著提升蜂窝的面外抗冲击性能；阶次足够大时，对于次级微元尺寸以1/2规律递减的自相似层级蜂窝，相邻阶次的平台压缩力放大系数为一常数n1.26。针对基于顶点替代、正三角形微元的非自相似层级蜂窝，分别提出了面内和面外冲击特性的数值分析方法。研究发现，层级参数会显著影响蜂窝面内变形模式，对面外变形模式影响则不大；非自相似层级设计不一定会提升蜂窝的抗冲

6、击性能以及吸能特性，只有特定尺寸的层级微元才有利于冲击性能的提升；非自相似层级设计对面内抗冲击性能的提升大于面外方向。针对蜂窝夹芯面板低速落锤冲击问题，分别开展了试验和数值仿真分析，并重点讨论了冲击能量对面板塑性凹坑变形以及吸能特性的影响。建立了相应的落锤冲击理论模I摘要型并改进发展了能量平衡理论模型，揭示了低速落锤冲击下蜂窝夹芯面板变形模式、凹坑形成以及能量吸收与耗散机理。研究表明，蜂窝夹芯板具有优异的吸能特性，绝大部分的冲击能量会在冲击过程中被上面板和芯层以塑性耗散能的形式吸收耗散；通过调整冲击速度或冲锤质量获取的不同冲击能量对凹坑和吸

7、能特性的影响不尽相同；提出了不同冲击能量下，面板凹坑深度以及能量吸收的半经验公式。关键词：冲击；蜂窝；蜂窝夹芯面板；压剪组合；层级；压缩特性；变形模式；能量吸收。IIAbstractAbstractDuetotheirsuperiorspecificstrengthandstiffness,excellentperformanceindesignabilityandenergyabsorption,honeycombsandhoneycombsandwichstructureshavebeenwidelyusedinmanyengineer

8、ingindustries,suchasaerospace,transportationandpersonalprotectiveequipment,etc.Honeycombs