侧向开孔纸蜂窝芯层抗压性能的模拟分析

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由于纸张具有较强的吸湿性,含水率过高会导致纸张粘合不良和强度下降,从而影响抗压性能,因此,采用对纸蜂窝芯层进行开孔的方法,在保证抗压性能的前提下提高纸蜂窝夹层结构的干燥速率。本文将理论分析、试验研究与有限元模拟相结合,探究侧向开孔纸蜂窝芯层结构在面外静态压缩下的弯折变形演变过程和变形曲线。表征加载历程曲线的主要力学指标包括弹性屈曲的临界应力和塑性坍塌的平台应力,通过研究不同相对湿度、开孔直径对弹性屈曲时的临界应力值、塑性坍塌时的平台应力值的影响程度及规律,进一步探究其抗压性能,从而验证该结构的可行性,为实际的应用提供一定的理论支撑。首先,基于正交各向异性夹层板理论,分析侧向开孔纸蜂窝芯层结构在面外压缩力下的变形模式。通过将纸蜂窝芯层胞壁近似为一个单向均匀受压的四边简支各向同性弹性薄板,计算得到弹性屈曲时的临界应力预测公式;根据一个基本折叠单元的能量守恒定律,计算得到塑性坍塌时的平台应力预测公式,并由预测公式计算得到的临界应力值与平台应力值。其次,对侧向开孔纸蜂窝芯层结构进行面外静态压缩试验。探究其在压缩力下纸蜂窝胞壁的弯折变形演变过程及变形曲线,并探究不同相对湿度、开孔直径对弹性屈曲时的临界应力值、塑性坍塌时的平台应力值的影响程度及规律。最后,对侧向开孔纸蜂窝芯层结构进行面外静态压缩试验的有限元仿真模拟。探究其在面外静态压缩力下的变形模式与变形曲线,同时对比理论分析、试验研究与有限元仿真模拟的变形模式及变形曲线,并对比分析临界应力值与平台应力值。通过对比分析发现:(1)侧向开孔纸蜂窝芯层结构在面外静态压缩力下的变形模式与有限元仿真模拟变形模式相同,侧向开孔纸蜂窝夹层结构最先在圆孔处出现褶皱,之后两端开始出现弯折变形,直至压溃。且应力—应变曲线均分为四个阶段:线弹性、弹塑性(屈服)、塑性坍塌(平台区)以及密实化。(2)侧向开孔纸蜂窝芯层结构的弹性屈曲的临界应力值和塑性坍塌的平台应力值均随着相对湿度的增大而减小,故该结构在相对湿度为50%时的抗压性能最好;并且随着开孔直径的增大而减小,故可以选择开孔直径为2mm的侧向开孔纸蜂窝芯层结构。通过对比解析值、试验值和有限元值发现三者一致性良好。
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