基于变分渐近等效模型的CFRP蜂窝夹芯板静动力分析

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蜂窝夹芯板作为一种新型的轻质高强结构,具有优异的抗冲击性能、出色的减振吸能性能、良好的防火耐腐蚀能力、较强的隔音隔热性能以及比强度高、比刚度大、质量轻、密度小等特点,被广泛应用于例如航空、航天、建筑、交通、汽车、包装、船舶、军事等行业。然而现阶段的研究主要集中于蜂窝夹芯板的芯层研究,大多数面板采用均质材料,对面板的研究很少。针对这种情况,本文提出了一种较新的CFRP蜂窝夹芯板,面层采用碳纤维增强复合材料,芯层采用铝合金材料,基于变分渐近法理论,对CFRP蜂窝夹芯板有效性能进行理论分析。利用其结构具有周期性和单胞尺寸远小于整个板尺寸的特点,通过变分渐近均匀化方法,结合有限元方法,构建二维等效板模型,进行静动力分析,并与三维有限元模型结果进行对比,最后系统分析了材料参数和结构参数对CFRP蜂窝夹芯板有效性能的影响。主要工作和研究成果如下:(1)基于变分渐近法,从CFRP蜂窝夹芯板广义总能量方程入手,根据结构的变形与应变能之间的关系,对能量泛函进行分析,得到了结构单胞的变分渐近表达式,建立起宏观板模型和微观结构单胞的联系。然后利用CFRP蜂窝夹芯板的结构具有周期性排布的特点,通过提取其单胞,结合周期性边界条件详细推导了CFRP蜂窝夹芯板的本构关系、应变能和等效刚度,得到了CFRP蜂窝夹芯板的二维等效板模型。(2)通过变分渐近均匀化方法,结合有限元方法,构建二维等效板模型,进行静力、屈曲和振动数值模拟分析,并与三维有限元模型结果进行对比,结果表明,经过均匀化建立的二维等效板模型在静动力分析具有很高的精度,误差均在5%以内,而且计算时间成倍减少,计算效率得到显著提高。(3)系统地研究分析了面板材料参数、芯层几何参数和边界条件等各种材料参数和结构参数对CFRP蜂窝夹芯板有效性能的影响,结果表明,碳纤维增强复合材料面板纤维铺层方式对CFRP蜂窝夹芯板有效刚度和各向异性的影响较大,改变纤维铺层方式的影响大于改变纤维体积分数的影响;在相同板高的情况下,改变面板厚度所引起的静力、屈曲和振动响应的变化比改变蜂窝芯高度更明显;在蜂窝芯的几何参数中,蜂窝芯周期长度和夹角对CFRP蜂窝夹芯板结构刚度的影响最大;边界条件约束越强,结构刚度越大,导致最大挠度减小,临界屈曲载荷和固有频率增加。
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