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67200字硕士毕业论文工业领域夹层结构的高阶夹层板理论

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:67200字
论点:结构,泡沫,理论
论文概述:

摘要 火层结构具有重量轻、刚度大的特点,广泛应用十航空航天、交通运输、建筑工业等重要领域。由十工作环境恶劣,外载荷随机性大,结构尺寸误差和材料性能的分散性不容忽视,火层

论文正文:

工业领域夹层结构的高阶夹层板理论

简介:泡沫防火层结构广泛应用于运载火箭、航空空、风力涡轮机叶片、运动器材、医疗设备配件、船舶制造、火车机车等领域,特别是美国等发达国家,广泛应用于十大高科技领域,由本站硕士论文中心组织。

第一章引言
1.1研究的背景和意义
火灾结构是板壳的复合结构。它的两个表面由非常薄的板制成,中间的火由较轻的火芯制成。前者被称为面板,需要高强度。后者被称为火芯,要求重量轻。
第二次世界大战期间,为了充分利用木材资源,英国的“蚊子”轰炸机采用了全木质防火层结构。目前,防火层结构已广泛应用于[m公司的10个机翼、尾翼、机身、箭、箭、速度制动器、发动机短舱、隔音装置、防火屏障等。与薄壁结构的薄皮相比,防火层压板具有厚度大、重量轻、表面光滑、空气动力学形状好、抗屈曲能力强等诸多优点。然而,其制造工艺复杂,质量不易检测,因此其应用受到限制。防火层结构板的材料包括铝合金、不锈钢、秦合金和各种复合材料。火芯材料主要是轻质木材、泡沫塑料等。它也可以由金属材料或复合材料制成波纹板防火层或蜂窝防火层。火芯和面板通常用胶水粘合在一起,也可以焊接或焊接成一个整体。根据所用芯材的类型,防火层结构可分为四种类型:泡沫防火层结构、蜂窝防火层结构、波纹板防火层结构和混合防火层结构。

由于十层结构普遍具有重量轻、刚度高的特点,因此引起了国内外学者的广泛关注和研究。自第二次世界大战以来,它已在军事、航空空工业中得到发展。目前,它已广泛应用于航空空航天、建筑、运输和包装工程等领域。
a .航空航天空主要包括主要轴承部件,如火箭导弹的级间部件和箱部件,以及热保护结构,如头部和尾部喷嘴、航天器舱、卫星天线、电池板和机身结构,以及飞机头部的天线罩、机翼和尾锥。
b .在建筑领域,十家工厂的屋顶在国外被广泛用于挡土墙板、屋顶板、隔板和大型地面天线罩以及透明防火地板结构板的照明。
c在运输领域,如机车整流罩、车厢体、火车内部部件、船体外壳、甲板和船上其他承重结构部件。[/BR/]在防火层结构中,聚合物泡沫是最常用的芯材,主要包括:聚氯乙烯(PVC)泡沫、聚苯乙烯CPS泡沫、聚氨酯CPS泡沫、聚亚甲基邻苯二甲酰亚胺CPMI)泡沫、聚醚邻苯二甲酰亚胺CPEI)泡沫和丙烯腈苯乙烯CSAN或AS)泡沫。[/BR/]近年来,泡沫防火层结构已广泛应用于运载火箭、航空空、风力涡轮机叶片、运动设备、医疗设备配件、船舶制造、列车机车等诸多领域。尤其是在梅口等发达国家,它被广泛应用于十个高科技领域,主要是:美国德尔塔运载火箭整流罩、新干线机车。医用床板、维斯塔斯风力发电机叶片等泡沫防火层结构。通用汽车、西门子等公司的
采用低密度火芯材料来增加火层结构的厚度,可以大大提高结构刚度,在重量增加很少的前提下达到减重和加固的效果。与非金属Nomax蜂窝芯材相比,泡沫芯材易于加工(机加),特别是对于复杂的异形零件,其数控加工成本可以比Nomax蜂窝大幅降低。此外,对于十个复杂组件,减少后续流程也是节省安装成本的主要方面。根据诺斯罗普公司的计算,对于10深截面防火层结构,使用泡沫芯材将Nomax蜂窝体的重量减轻了10,070,节省人工成本_ 59,070,并大大降低了制造成本。
泡沫防火层结构工作环境相对恶劣,经常受到复杂多变的外部载荷。制造缺陷引起的结构尺寸误差不可忽视。仪表板和材料的力学性能具有一定的分散性。在这种情况下,泡沫防火层结构的损坏风险大大增加,很有可能发生材料屈服,甚至导致整体失效,这对于要求高可靠性和高安全性的十大航空空航空航天和运输领域是非常危险的。
本文从理论分析和数值模拟两个方面分析了泡沫阻燃层压板在横向载荷作用下的结构可靠性。最后,通过设计失效试验,验证了混合仿真方法对泡沫阻燃层压板结构可靠性分析的正确性。本文的研究对十种泡沫防火地板结构的可靠性分析,以及航空空航天、交通等领域防火地板结构产品的寿命预测和结构健康管理具有重要的参考价值。
1.2国内外研究现状
在十个适当假设的基础上,建立了合理防火层结构的理论模型。通过试验研究了火层结构的力学性能,并根据一定的强度准则计算了火层结构的可靠性。这是火灾层结构可靠性分析和研究的主线。本文从理论模型、力学性能和结构可靠性等方面综述了火灾层结构的国内外研究现状。
2.1理论模型分析
随着火层结构在工程中的应用,特别是在航空空、航空航天结构中的应用范围不断扩大[3],对其力学行为分析、结构设计和计算的研究也不断深化。自20世纪40年代以来,许多力学工作者逐渐提出了各种分析和计算模型,包括:
a .赖斯纳(Lesnard)理论。分析的起点是使用火层结构的面板石作为薄膜,它只承受平面的内力,而忽略其弯曲刚度。火芯只承受横向剪切力,火芯中平面的内应力为零。由于存在一些无法解决的问题,如集中载荷下的弯曲等,一些力学因素被十雷斯纳理论简化。在求解刚性蒙皮火芯复合板时存在较大误差,[6】。
b .霍夫c .霍夫(b. hoff c hoff)理论和雷斯纳(Reissne)理论的区别在于,考虑了壁板的抗弯能力,火芯的载荷仍然受到横向剪切力的作用。l hoff理论克服了Reissen:fire层压板理论的局限性,比Reissen:理论在求解具有刚性蒙皮的火芯复合板时更合理、应用更广泛。
普鲁卡霍夫-杜清华的理论提出得比雷纳德和霍夫晚一点。认为火芯不仅承受剪切力,还进一步考虑了火芯横向弹性变形的影响。根据第十种理论,考虑火芯的抗剪和弹性支撑以及蒙皮的抗弯性。然而,由于其数学处理的复杂性,很难在工程中应用。
d .上述两种理论基于“等效单层法”(C等效单层,ESL法[8),其中层状火芯结构由具有相同特征的均匀板表示。该方法假设剪切应变沿厚度方向恒定,不满足连续剪切应力条件,因为多层火芯、各层火芯刚度不同的十层火板不适用,也不适用于层间剪切应力精度要求高的十层火板。为了克服上述两种模型的共同缺陷,第十是发展火灾层结构分析的高阶剪切理论。该理论认为火层结构的剪切应变沿厚度方向可以是二次的。
国外一些研究人员曾试图利用一阶或更高阶剪切变形模型和有限奇异方法对复合材料和阻燃层压板“10-13”的屈曲、后屈曲和非热变形进行非线性分析。用一阶剪切理论对简支矩形板进行建模和分析,建立了稳定方程,得到了收敛解。此外,Liew等人还根据功能梯度材料——碳功能梯度材料和FGM研究了温度对FGM板性能的影响。纳杰扎德等人用高阶剪切理论研究了FGM板的屈曲行为。
上述研究都是基于十点位移假设的模型,应力计算精度普遍较低,因为十点应力平衡模型是后来发展起来的。该模型计算十层结构内部二维应力的精度较高,但边界精度不如内部精度高,因为不适合分析边界效应的影响。混合模型不仅对二维火层结构非常有效,而且能更好地满足边界条件,因为Ifn对层间脱胶、纤维断裂和火杂质等十个自由表面问题也非常有效。这是一种潜在的分析方法,越来越受到[的重视。
2.2机械性能分析
火层结构的基本机械性能包括平压强度、弯曲强度、剪切强度和弯曲刚度。火层结构的基本力学性能直接关系到表面板和芯的力学性能。首先,人们采用理论推导的方法来研究火层结构的力学性能。例如,周朱琳对碳纤维复合材料防火层结构的侧向抗压强度进行了理论研究,得出了无初始波纹和有初始波纹的碳纤维复合材料蜂窝防火层结构侧向抗压强度的理论计算公式。分析的目的是指出考虑初始波纹的理论计算公式更符合实际情况。理论推导需要一些假设,并且需要近似来简化推导过程。因此,所得结果只能作为定性分析的依据,难以获得满足工程精度要求的精确数值解。
目前,研究火层结构力学性能的方法主要是通过实验。为此,美国测试与材料学会(美国材料试验学会)为十层防火屏障的结构制定了一系列测试标准和方法,如美国材料试验学会C365-00、美国材料试验学会C364-99等。中国还在1200 _ 5年修订了10层防火屏障结构力学性能的6项试验标准GB/T 1452}1457.2005}\'}-22}。我国对十种芯材力学性能的研究主要是在实验的基础上进行的。例如,周朱琳·[23]等人研究了具有防火层结构(轻木、蜂窝、泡沫塑料)的芯的机械性能,并绘制了测试曲线。Tu张中·[24]等人通过实验研究了硬质聚氨酯泡沫芯材和防火层结构性能和质量的影响因素,指出发泡填充系数和密度是决定泡沫芯材和防火层结构性能和应用领域的关键因素。
由不同面板和核心组成的火层结构的力学性能差异很大,因此针对力学性能的火层结构材料和拓扑优化引起了广泛关注。Farebrother和Raymond在1977年指出,对于给定质量的火层梁,最佳蒙皮厚度[·[25]。张广成等人设计了不同铺层形式的蜂窝防火层结构复合实验板,并通过实验验证了对称铺层的力学性能高于非对称铺层防火层结构,特别是侧向压缩性能和弯曲性能[·[26]。此外,闭孔硬质泡沫作为芯材的剪切刚度和强度低于Nomax纸蜂窝芯材。因此,以闭孔硬质泡沫为芯材的复合防火层压板的拉伸、压缩、弯曲和剪切强度低于相同芯材密度[f271的复合Nomax蜂窝防火层压板。然而,蜂窝防火层结构的制造工艺复杂,在制造过程中容易在面板表面蜂窝芯处出现凹坑,严重时会影响面板的平整度和平整度。此外,蜂窝芯在复合蜂窝防火层结构中产生微裂纹后,容易进水,难以排出,这不仅增加了结构的重量,还会引起胶层的吸湿和降解,从而使面板和芯脱胶。脱胶复合蜂窝防火层结构的修复非常困难。十、大量研究人员集中在寻找提高泡沫芯材力学性能的方法的方向上,而其他人则转向研究制造工艺对防火层结构力学性能的影响。前者主要集中于[[27-36十对Z向增强防火层结构的力学性能研究,主要包括缝纫增强泡沫防火层结构和X形碳纤维针(X-Cor)增强泡沫防火层结构复合材料等复合材料的研究。后者侧重于十个模具温度、固化工艺、固化压力和其他工艺对防火层结构机械性能的影响,[37-39]。
上述研究忽略了外部环境应力对防火层结构机械性能的影响。研究表明,温度、粒子辐照、紫外线辐照、冷热循环等。对蜂窝防火层结构的力学性能有影响[40]国内在这方面的研究相对较少。张建科等人分别对蜂窝火层结构在低温和辐照下的力学性能进行了实验研究,[[40-41]
国外一些研究者先后对火层板[[42-471O卡普尔拉等人的力学性能进行了建模分析,在对十层火层板进行力学建模分析的基础上,提出了一种新的模型HZIGT(高阶之字形理论),通过虚功原理建立了控制方程, 火灾层板的力学响应采用分段近似线性方法进行分析,但板的横向剪应力为零网格层间连续性的假设是[43]。 Shiau L.C等人用有限边界法研究了复合材料
防火层压板的屈曲性能。结果表明,屈曲模态与纵横模量之比、纵横泊松比、纤维铺设方向等有关。用高阶变形理论研究了防火层压板的屈曲,指出预弯曲变形对屈曲响应的影响与防火芯板的厚度有关,[45]。这些研究没有考虑火芯厚度方向的灵活性。
常见的高阶剪切理论不适用于解决热应力和热屈曲等二维问题。为了解决这一问题,近年来弗罗斯特等人提出了高阶火芯板理论&高阶夹层板理论。根据这一理论,防火层结构是由两块面板组成的层状防火芯板,没有防火芯钢。通过力学平衡条件和变形协调条件建立控制方程,考虑边界约束条件,用变分原理求解火层板的应力应变。火芯厚度方向的变化用ten来考虑,非常适合ten处理二维问题。目前,HSAPT已成功应用于十几项研究,包括整体或局部屈曲和非线性响应[·[4g-52]
。最近,弗罗斯特和汤姆森使用HSAPT方法研究了泡沫防火层结构在温度无关和温度相关的防火芯特性的两个假设下的屈曲和后屈曲问题[53-54]。他们将HSAPT方法应用于[·[55同时承受机械载荷和热载荷的情况,通过最小势能原理建立了壁板的非线性控制方程、火芯的应力-位移场和相应的边界条件,并用多点射击法求解了非线性响应。结果表明,火芯材料的热膨胀系数越大,局部载荷对非线性响应的影响越大;边界约束的变化会影响火芯板的屈曲模态。
目前,HSAPT理论只发现了十个力学问题来解决阻燃层压板的应力应变场,尚未应用于阻燃层压板的可靠性分析和研究领域。

参考资料

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[7]

摘要10-11[/BR/]摘要11-12
第1章引言13-24
1.1研究背景和意义13-15
1.2国内外研究现状15-21
1.2.1理论模型分析15-16
1.2.2机械性能分析16-18 [/BR/] 1.2.3结构可靠性分析18-21 [/BR/] 1 2.1.1基本假设24-25
2.1.2应力和位移场25-28[/ Br/] 2.1.3控制方程28-30
2.2四面简支泡沫夹层板的弯曲解30-33
2.3夹层板的力学分析基于HSAPT 33-37
2.3.1冯米塞斯夹层板应力分析33-34[/Br/]2 . 3 . 3 第三章泡沫夹层板结构可靠性分析基于理论分析模型38-49
3.1泡沫夹层板结构可靠性描述38
3.2泡沫夹层板结构可靠性分析方法38-43
3.2.1选择基本随机变量38-39
3.2.2建立极限状态函数39-40
3.2.3结构可靠性计算40-43
3.3结构可靠性分析 3.4概述47-49
第4章基于数值模拟的泡沫夹层板结构可靠性分析49-60
4.1 ANSYS概率设计系统49-50
4.2泡沫夹层板有限元模型50-52[/BR/]4 . 2 . 1泡沫夹层板有限元模型50-51
4.2.2基于有限元模型51-52
4.3夹层板应力分析的基本原理 4.3.2响应面数值模拟53-54[/溴/] 4.4结构可靠性数值模拟分析54-58[/溴/] 4.4.1蒙特卡罗模拟分析54-55[/溴/] 4.4.2混合模拟分析55-57[/溴/] 4.4.3参数趋势分析57-58[/溴/] 4.5模拟结果分析58-59[/溴/] 4.5.1理论计算和模拟分析结果比较58[/溴// 5.1实验和60-61[/溴/] 5.1.1实验60[/溴/] 5.1.2基于60-61[/溴/] 5.2泡沫夹层板集中载荷破坏实验61-66[/溴/] 5.2.1样品制备61-62[/溴/] 5.2.2实验设备和仪器62-64[/溴/] 5.2.3实验步骤64-66[/溴/] 5.2 5.4摘要73-74
第6章摘要和展望74-76
6.1研究结论74
6.2研究展望74-76
感谢76-78
参考文献78-84
作者在研究期间取得的学术成就84

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