增强型金字塔点阵夹芯板力学性能的变分渐近多尺度研究

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轻质高强材料和结构的应用是土木工程领域的发展趋势之一,复合材料点阵夹芯结构具有较高的比强度和比刚度,能减少成本并保证抗弯、减振等使用性能。目前,夹芯板常用作桥面,但点阵夹芯板因容易发生节点破坏,实际应用受限。为了克服传统金字塔点阵夹芯板面板/芯层界面强度低和面外承载能力较差的问题,在芯层内部添加加强杆形成三种增强型结构(TypeⅠ-Ⅲ增强型)。基于变分渐近均匀化多尺度理论,构建了一个分析框架,将复杂三维增强型金字塔点阵夹芯板问题简化为二维降维等效模型。论文主要的研究工作和结论如下:(1)根据薄板和周期性结构特征,引入小参数推导出基于能量泛函的点阵夹芯板应变能,并由代表性单胞均匀化得到宏观响应分析所需的有效属性。与三维有限元模型和传统等效均匀化模型对比表明:二维等效模型能有效简化点阵夹芯板的静力位移、基频和临界屈曲荷载的预测,相对误差均小于5%;位移曲线和振动、屈曲模态云图吻合度高,计算效率提高了36倍。(2)利用二维等效模型,对四种金字塔点阵复合夹芯板的力学性能响应进行了数值分析,重构局部场,分析加强杆优劣势。结果表明:相同工况下,夹芯板挠度值随加强杆增加而减小,特别是横向加强杆能显著减小弯曲变形。由二维等效模型响应重构的局部场精度较好,能准确捕捉加强杆与面层连接处局部场分布。等效密度增加幅度大于刚度的增加,夹芯板的固有频率随加强杆增加而降低;相同外激励作用下,TypeⅢ增强型的强迫振动响应值较小。提升结构刚度或芯层与面板的接触面积能改善结构稳定性,相比传统金字塔点阵夹芯板,Type III增强型屈曲荷载增加17.82%。根据四方面性能响应,TypeⅢ增强型的静动力学性能较好。(3)进一步研究了TypeⅢ增强型芯层、面板和构型参数对金字塔点阵夹芯板静动力性能的影响。结果表明:随着竖向加强杆宽度和厚度及横向加强杆高度的增加,结构弯曲、强迫振动、屈曲性能提升,固有频率下降,其中横向加强杆高度影响最显著。斜杆倾角增大,抗弯性能降低,屈曲荷载呈下降趋势;当倾角为45°和75°时,结构振动性能最差。面板厚度与结构性能呈正相关,但增大厚度会增加成本。面板铺层方式不同对结构宏观响应影响差异较大,45°铺层占比增大导致结构静动力性能下降。芯层旋转角度为45°时,夹芯板更易发生弯曲、共振等破坏。长宽比增大,使结构静力位移和基频下降至收敛值,发生共振的可能性增加。
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