K418合金Kagome点阵夹芯结构热性能和力学性能研究

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Kagome点阵夹芯结构是一种具有低相对密度、高比强度、高比模量、高吸能缓冲特性的轻质结构。通过精密铸造的方式制备K418合金点阵夹芯翼舵可以简化工艺,减轻质量,提高翼舵力学性能和高温性能,具有较高应用前景和研究价值。通过点阵夹芯结构设计翼舵,需对点阵夹芯结构的性能充分研究,并以此优化设计,使翼舵达到所需性能要求。因此,本文对K418合金Kagome点阵夹芯结构的热性能和力学性能进行了研究。对不同载荷作用下Kagome点阵结构单胞的压缩和剪切性能进行了分析研究。上面板加载位移载荷时,推导了结构平压强度、平压模量、剪切强度、剪切模量与结构尺寸的表达式,并通过有限元模拟软件加以验证。得出该载荷下芯杆承受主要载荷,结构力学性能仅与芯子结构尺寸参数相关,与芯子位置分布无关的结论。上面板存在均布压强载荷时,由于额外的力矩作用,芯子位置对单胞压缩强度、剪切强度存在影响。当芯子处于中间位置时,单胞有最优压缩和剪切性能。结合对单胞的力学性能分析,通过有限元软件对多胞平板四种不同点阵分布的力学性能进行模拟分析。上表面加载位移载荷时,点阵分布形式对多胞平板平压和剪切性能无明显影响。均布压强载荷时,压缩和剪切性能受到点阵分布的影响。点阵均匀分布时,多胞平板结构有最优性能。此外,平板四周为自由边界时,靠近平板四周的芯子应力相对较大,分布时应使最外侧芯子更靠近四周。通过点阵分布对多胞平板性能的影响规律,对点阵夹芯结构翼舵的点阵分布进行了设计。依据该设计,通过精密铸造工艺制备了点阵夹芯结构翼舵。对Kagome点阵结构单胞上下面板间的导热性能进行了研究,并通过有限元软件获得了单胞传热的温度场分布。热传导过程中,可将Kagome芯子简化为立方体芯子。此外,单胞导热中,随着面板温度的升高,热辐射在导热中的占比愈来愈大。单胞模拟气动加热时,上下表面先迅速升温,中间部位升温滞后,结构温差随时间推移先增加后减少,温度梯度主要出现在芯子部分。翼舵具有与单胞类似的传热特征。额外的,由于翼舵外侧芯子高度较大,因此外侧芯子中间部位升温最为滞后。根据点阵结构的温度场分布,通过热力耦合模拟进一步获得了单胞和翼舵非稳态传热的热应力场分布。点阵结构的热应力主要来自于温度场分布的不均匀,随着时间推移,热应力先增加后减少。其中翼舵点阵夹芯部分,热应力最大部位从内侧芯子逐渐转移到外侧芯子。
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