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金属蜂窝夹芯板的疲劳行为和寿命预测研究

作　者: 曹扬
导　师: 邹广平
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 工程力学
关键词: 金属蜂窝夹芯板疲劳行为损伤寿命预测
分类号: TB383.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

金属蜂窝夹芯板是一种新型超轻多孔结构型材料,由于其比强度、比刚度高、隔音隔热、防火、保温等优异的性能广泛应用于航空、航天、汽车、建筑等工程领域。自问世以来,国内外学者对金属蜂窝夹芯板进行了大量的研究,研究领域涉及静力学等效模型、动力学特性等,但是在疲劳累积损伤性能方面的研究还不多见。因此,本文以钢质蜂窝夹芯板为对象,借助四点弯曲疲劳实验,对金属蜂窝夹芯板的疲劳累积损伤性能进行了深入研究,建立了一种以广义弯曲刚度为参量的疲劳累积损伤演化模型,并在此基础上进行疲劳寿命预测的研究,得到较好结果。具体内容如下：1.以正六角形蜂窝夹芯板为例,结合现有理论,介绍了蜂窝夹芯板的制备工艺,推导了其等效物理参数及力学性能参数,同时对蜂窝夹芯板的弯曲和振动理论作了综述性研究。2.对钢质蜂窝夹芯板进行了四点弯曲静态和疲劳实验。首先进行静态四点弯曲实验,得到实验试件在静态弯曲载荷作用下弯曲载荷与加载点挠度的关系以及试件在静载作用下的破坏模式。其次,以静态弯曲实验为依据,分别对L向(沿着蜂窝芯条)和W向(垂直芯条方向)试件进行了90%、80%和70%载荷水平下的疲劳实验,得到相应的疲劳寿命。疲劳实验结果表明蜂窝夹芯板四点弯曲疲劳过程中加载点挠度的增长经历了三个阶段,即挠度快速增长阶段、挠度平稳增长过程和再次快速增长直至破坏。3.基于Lemaitre经典损伤公式,以广义剩余弯曲刚度作为损伤参量,根据疲劳实验的结果,分析了蜂窝夹芯板四点弯曲疲劳实验过程中的刚度衰减规律,发现刚度的衰减仅与试件的方向性有关,而与所施加的载荷水平无关,以此为基础建立了分别描述L向和W向试件损伤演化的三阶段(即损伤成核、损伤稳定扩展和损伤失稳扩展)损伤演化方程,与实验结果吻合较好。4.分别采用拟合S-N曲线和累积损伤方法预测了蜂窝夹芯板试件在65%和60%载荷水平下的四点弯曲疲劳寿命,并进行了相应的实验验证。结果表明,采用累积损伤演化方法预测的寿命较准确,与实验结果相对误差在10%以内,证明了本文提出的这种基于刚度衰减的累积损伤疲劳寿命预测方法在工程中的可行性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
    1.2.1 蜂窝夹芯板及其特点  11-12
    1.2.2 蜂窝夹芯板的静力学研究  12-13
    1.2.3 蜂窝夹芯板的动力学及疲劳行为研究  13-14
    1.2.4 损伤力学在疲劳分析中的应用  14-16
  1.3 本文的主要内容  16-17
第2章蜂窝夹芯板的基本理论  17-32
  2.1 引言  17
  2.2 金属蜂窝夹芯板制备方法  17-19
    2.2.1 金属蜂窝芯子的制备  17-18
    2.2.2 蜂窝芯与面板的连接  18-19
  2.3 蜂窝夹芯板的等效参数计算  19-26
    2.3.1 等效密度  20-21
    2.3.2 面外等效弹性模量  21-22
    2.3.3 面内等效弹性模量  22-25
    2.3.4 蜂窝芯的等效剪切模量  25-26
  2.4 蜂窝夹芯板的弯曲与振动  26-31
    2.4.1 夹芯结构弯曲的Reissner理论  26-28
    2.4.2 夹芯结构弯曲的其它理论  28-30
    2.4.3 蜂窝夹芯板固有频率计算  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第3章钢质蜂窝夹芯板的四点弯曲实验研究  32-44
  3.1 引言  32
  3.2 试件的设计与制作  32-33
  3.3 实验研究方案  33-35
    3.3.1 静载四点弯曲实验  34
    3.3.2 疲劳实验  34-35
  3.4 实验结果与分析  35-43
    3.4.1 静载四点弯曲实验结果  35-37
    3.4.2 四点弯曲强度理论分析  37-40
    3.4.3 疲劳实验结果  40-43
  3.5 本章小结  43-44
第4章蜂窝夹芯板的疲劳累积损伤性能  44-59
  4.1 引言  44
  4.2 疲劳累积损伤理论  44-50
    4.2.1 线性理论  44-45
    4.2.2 双线性理论  45-46
    4.2.3 非线性理论  46-50
  4.3 基于刚度变化的累积损伤模型  50-51
  4.4 蜂窝夹芯板四点弯曲疲劳累积损伤规律  51-57
    4.4.1 刚度衰减规律  51-55
    4.4.2 疲劳累积损伤演化规律  55-57
  4.5 本章小结  57-59
第5章恒幅循环载荷作用下的疲劳寿命预测  59-70
  5.1 引言  59
  5.2 疲劳寿命预测方法概述  59-66
    5.2.1 裂纹扩展分析方法  59-61
    5.2.2 疲劳累积损伤寿命预测方法  61-62
    5.2.3 名义应力法  62-64
    5.2.4 局部应力应变法  64-65
    5.2.5 有限元方法  65-66
  5.3 S-N曲线方法寿命预测  66-67
  5.4 累积损伤方法寿命预测  67-69
  5.5 本章小结  69-70
结论  70-72
参考文献  72-78
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  78-79
致谢  79

金属蜂窝夹芯板的疲劳行为和寿命预测研究

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