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钎焊蜂窝铝板力学性能研究

作　者: 彭明军
导　师: 孙勇
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: 钎焊蜂窝力学性能模拟仿真
分类号: TG454
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

蜂窝夹层结构来源于“天才的数学家兼设计师”—蜜蜂的蜂巢,利用蜂窝夹层结构材料的轻质、高强、高刚度等优异性能,其必将在各个领域占有一席之地。目前国内外常见的蜂窝板均为胶粘蜂窝板,蜂窝芯之间以及面板与蜂窝芯为物理结合,其强度、使用寿命以及允许的工作环境在很大程度上受胶粘剂制约。仅通过胶粘剂性能的改进和提高来取得在性能上的飞跃是很有局限的。钎焊法是取代胶粘法最理想的方法之一,通过钎焊方法形成的接头为冶金结合,使用范围大大提高,其力学性能高于其它同规格的胶粘产品。此外,针对现有焊接式蜂窝铝板制备工艺复杂,难以工业化生产的缺点,创新性提出一种新结构的蜂窝板——π型结构蜂窝铝板。本文在前期研究基础上,对钎焊蜂窝铝板的制造方法和力学性能进行研究,并通过Ansys仿真研究钎焊蜂窝铝板的力学性能,研究工作及结果主要包括：(1)钎焊蜂窝铝板平压变形过程经历弹性屈曲、塑性屈曲、蜂窝芯失稳和塑性强化+压合化等四个阶段；面板在平压过程中对蜂窝铝板承载能力没有影响；双层蜂窝芯主要承受载荷,单层蜂窝芯壁板连接和约束双层蜂窝芯壁板；而π型结构蜂窝铝板窝中相邻壁板之间相互连接和约束其余壁板。(2)传统结构蜂窝铝板平压强度公式π型结构蜂窝铝板平压强度公式为但因π型结构蜂窝铝板无单双层壁板之分,π型结构蜂窝铝板的平压强度较传统钎焊蜂窝铝板的平压强度低0.13-0.45MPa。(3)钎焊蜂窝铝板在承受侧压载荷时,左右面板通过形变可将自身承受的垂直载荷转化为水平载荷后传递给中间蜂窝芯。受蜂窝芯排列方式不同,蜂窝铝板纵向侧压发生酒窝型失稳,而横向侧压发生剪切皱折失稳。蜂窝铝板纵向侧压强度大于横向侧压强度,纵向侧压的极限载荷比横向侧压的极限载荷略高12%。(4)π型结构蜂窝铝板侧压强度较传统蜂窝铝板侧压强度高,纵向侧压强度大约高1.3%-5.5%,横向侧压强度大约高4.2%～10%。(5)钎焊蜂窝铝板受到弯曲载荷时依面板抗拉压强度与蜂窝芯抗剪刚度的协调性,表现出三种类型的失效模式：蜂窝芯坍塌失效、整体弯曲失效和面板剪切失效。(6)π型结构蜂窝铝板与传统钎焊蜂窝铝板三点弯曲失效模式相似,π型结构蜂窝铝板三点弯曲破坏抗力较传统蜂窝铝板三点弯曲破坏抗力大,且纵向三点弯曲破坏载荷大约2.2%～10.8%,而横向三点弯曲破坏载荷差值约为5.8%-12.9%。(7)π型结构蜂窝铝板的综合性能优于传统钎焊蜂窝铝板。本文的创新性主要体现为针对现有胶粘蜂窝铝板缺陷,提出运用保护气体Nocolok钎焊法制备钎焊蜂窝铝板,同时在研究过程中再次针对钎焊蜂窝铝板制备工艺复杂,难以工业化生产的缺点,创新性提出π型结构蜂窝板(ZL200710065822.8),最后将其成功运用于设计制造风电叶片,申请国家专利8项,授权国家发明专利1项,实用新型5项。在本文最后对钎焊蜂窝金属板进一步的研发工作及应用前景进行了讨论。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
目录  8-13
第一章绪论  13-31
  1.1 引言  13-20
    1.1.1 蜂窝板的历史、现状和发展趋势简介  13-14
    1.1.2 蜂窝板的特点  14-16
    1.1.3 蜂窝板研究进展及应用现状概况  16-19
    1.1.4 蜂窝板加工制造方法  19-20
  1.2 蜂窝板力学性能研究现状  20-29
    1.2.1 蜂窝板平压性能研究现状  20-24
    1.2.2 蜂窝板侧压性能研究现状  24-25
    1.2.3 蜂窝板三点弯曲性能研究现状  25-27
    1.2.4 蜂窝板其它力学性能的研究现状  27-29
  1.3 本课题研究目的意义和主要内容  29-31
    1.3.1 研究目的及意义  29
    1.3.2 论文研究内容  29-31
第二章钎焊蜂窝铝板钎焊工艺研制  31-36
  2.1 引言  31
  2.2 钎焊蜂窝铝板的制备工艺  31-34
    2.2.1 基材和钎料的选择  31-32
    2.2.2 蜂窝芯的成形  32
    2.2.3 钎焊前清洗及钎剂涂覆工艺  32
    2.2.4 装配和夹紧工艺  32-33
    2.2.5 钎焊工艺  33-34
  2.4 蜂窝板有限元模型  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章传统钎焊蜂窝铝板力学性能研究  36-54
  3.1 引言  36
  3.2 传统钎焊蜂窝铝板平压试验  36-45
    3.2.1 平压试验  36-38
    3.2.2 钎焊蜂窝铝板平压变形模式分析  38-39
    3.2.3 面板对钎焊蜂窝铝板平压性能的影响研究  39-40
    3.2.4 钎焊蜂窝铝板平压性能理论研究  40-43
    3.2.5 与胶粘蜂窝板的平压变形模式的比较  43-45
  3.3 传统钎焊蜂窝铝板侧压试验  45-53
    3.3.1 钎焊蜂窝铝板侧压试验  45-47
    3.3.2 钎焊蜂窝铝板侧压变形模式分析  47-52
    3.3.3 与胶粘蜂窝板的侧压变形模式的比较  52-53
  3.4 本章小结  53-54
第四章钎焊蜂窝铝板力学性能仿真研究  54-98
  4.1 引言  54
  4.2 传统钎焊蜂窝铝板平压性能仿真研究  54-63
    4.2.1 前处理  54-55
    4.2.2 模拟结果及分析  55-63
      4.2.2.1 传统钎焊蜂窝铝板平压变形过程分析  55-58
      4.2.2.2 蜂窝芯边长对传统钎焊蜂窝铝板平压力学性能的影响研究  58-60
      4.2.2.3 蜂窝芯壁板厚度对传统钎焊蜂窝铝板平压力学性能影响研究  60-63
  4.3 传统钎焊蜂窝铝板侧压仿真试验研究  63-81
    4.3.1 前处理  63-65
      4.3.1.1 建立有限元模型  63-64
      4.3.1.2 网格划分  64-65
    4.3.2 传统钎焊蜂窝铝板侧压变形过程分析  65-68
    4.3.3 传统钎焊蜂窝铝板纵向侧压破坏载荷因素分析研究  68-75
      4.3.3.1 蜂窝芯边长对传统蜂窝铝板纵向侧压破坏载荷的影响  68-70
      4.3.3.2 蜂窝芯壁板厚度对传统钎焊蜂窝铝板纵向侧压破坏载荷的影响  70-72
      4.3.3.3 面板厚度对传统蜂窝板纵向侧压破坏载荷的影响  72-74
      4.3.3.4 传统钎焊蜂窝铝板纵向侧压强度各因素方差分析  74-75
    4.3.4 传统钎焊蜂窝铝板横向侧压破坏载荷因素分析研究  75-81
      4.3.4.1 蜂窝芯边长对传统钎焊蜂窝铝板横向侧压破坏载荷的影响  75-77
      4.3.4.2 蜂窝芯壁板厚度对传统钎焊蜂窝铝板横向侧压破坏载荷的影响  77-78
      4.3.4.3 面板厚度对传统钎焊蜂窝铝板横向侧压破坏载荷的影响  78-80
      4.3.4.4 传统钎焊蜂窝铝板横向侧压强度各因素方差分析  80-81
  4.4 传统钎焊蜂窝铝板三点弯曲仿真试验研究  81-97
    4.4.1 前处理  81-82
      4.4.1.1 有限元模型  81-82
      4.4.1.2 网格划分  82
    4.4.2 传统钎焊蜂窝铝板三点弯曲失效模式研究  82-84
    4.4.3 传统钎焊蜂窝铝板纵向三点弯曲破坏载荷因素分析研究  84-90
      4.4.3.1 蜂窝芯边长对传统钎焊蜂窝铝板纵向三点弯曲破坏载荷的影响  84-86
      4.4.3.2 蜂窝芯壁板厚度对传统钎焊蜂窝铝板纵向三点弯曲破坏载荷的影响  86-87
      4.4.3.3 面板厚度对传统钎焊蜂窝铝板纵向三点弯曲破坏载荷的影响  87-89
      4.4.3.4 传统钎焊蜂窝铝板纵向三点弯曲强度各因素方差分析  89-90
    4.4.4 传统钎焊蜂窝铝板横向三点弯曲弯曲破坏载荷因素分析研究  90-97
      4.4.4.1 蜂窝芯边长对传统钎焊蜂窝铝板横向三点弯曲破坏载荷的影响  90-92
      4.4.4.2 蜂窝芯壁板厚度对传统蜂窝铝板横向三点弯曲破坏载荷的影响  92-94
      4.4.4.3 面板厚度对传统钎焊蜂窝铝板横向三点弯曲破坏载荷的影响  94-95
      4.4.4.4 传统钎焊蜂窝铝板横向三点弯曲强度各因素方差分析  95-97
  4.5 本章小结  97-98
第五章 π型结构蜂窝铝板力学性能仿真研究  98-153
  5.1 引言  98-99
  5.2 钎焊π型结构蜂窝铝板平压仿真试验研究  99-110
    5.2.1 前处理  99-100
    5.2.2 模拟结果及分析  100-108
      5.2.2.1 π型结构蜂窝铝板平压变形过程分析  100-103
      5.2.2.2 蜂窝芯边长对π型结构蜂窝铝板平压破坏载荷的影响  103-104
      5.2.2.3 蜂窝芯壁板厚度对π型结构蜂窝板破坏载荷的影响  104-108
    5.2.3 π型结构蜂窝铝板与传统钎焊蜂窝铝板平压强度的比较  108-110
  5.3 π型结构蜂窝铝板侧压仿真试验研究  110-131
    5.3.1 前处理  110-111
      5.3.1.1 建立有限元模型  110
      5.3.1.2 网格划分  110-111
    5.3.2 钎焊π型结构蜂窝铝板侧压变形过程分析  111-114
    5.3.3 钎焊π型结构蜂窝板纵向侧压破坏载荷因素分析研究  114-121
      5.3.3.1 蜂窝芯边长对钎焊π型结构蜂窝铝板纵向侧压破坏载荷的影响  114-116
      5.3.3.2 蜂窝芯壁板厚度对钎焊π型结构蜂窝铝板纵向侧压破坏载荷的影响  116-118
      5.3.3.3 面板厚度对钎焊π型结构蜂窝铝板纵向侧压破坏载荷的影响  118-119
      5.3.3.4 钎焊π型结构蜂窝铝板纵向侧压强度各因素方差分析  119-121
    5.3.4 钎焊π型结构蜂窝铝板横向侧压破坏载荷因素分析研究  121-128
      5.3.4.1 蜂窝芯边长对π型结构蜂窝铝板横向侧压破坏载荷的影响  121-123
      5.3.4.2 蜂窝芯壁板厚度对钎焊π型结构蜂窝铝板横向侧压破坏载荷的影响  123-124
      5.3.4.3 面板厚度对钎焊π型结构蜂窝铝板横向侧压破坏载荷的影响  124-126
      5.3.4.4 钎焊π型结构蜂窝铝板横向侧压强度各因素方差分析  126-128
    5.3.5 π型结构蜂窝铝板与传统钎焊蜂窝铝板侧压强度比较  128-131
  5.4 钎焊π型结构蜂窝铝板三点弯曲过程分析  131-152
    5.4.1 前处理  131-132
      5.4.1.1 有限元模型  131-132
      5.4.1.2 划分网格  132
    5.4.2 钎焊π型结构蜂窝铝板三点弯曲失效模式研究  132-134
    5.4.3 π型结构蜂窝板纵向三点弯曲破坏载荷因素分析研究  134-140
      5.4.3.1 蜂窝芯边长对π型结构蜂窝铝板纵向三点弯曲破坏载荷的影响  134-136
      5.4.3.2 蜂窝芯壁板厚度对π型结构蜂窝铝板纵向三点弯曲破坏载荷的影响  136-137
      5.4.3.3 面板厚度对π型结构蜂窝铝板纵向三点弯曲破坏载荷的影响  137-139
      5.4.3.4 π型结构蜂窝铝板纵向三点弯曲破坏载荷各因素方差分析  139-140
    5.4.4 π型结构蜂窝铝板横向三点弯曲破坏载荷因素分析研究  140-146
      5.4.4.1 蜂窝芯边长对π型结构蜂窝铝板横向三点弯曲弯曲破坏载荷的影响  140-142
      5.4.4.2 蜂窝芯壁板厚度对π型结构蜂窝铝板横向三点弯曲破坏载荷的影响  142-143
      5.4.4.3 面板厚度对π型结构蜂窝板横向三点弯曲破坏载荷的影响  143-145
      5.4.3.4 π型结构蜂窝铝板横向三点弯曲破坏载荷各因素方差分析  145-146
    5.4.5 π型结构蜂窝铝板与传统钎焊蜂窝铝板三点弯曲破坏载荷比较  146-152
      5.4.5.1 蜂窝铝芯相当剪切模量G_(cxz)(纵向)的计算  147-149
      5.4.5.2 蜂窝铝芯相当剪切模量G_(cyz)(横向)的计算  149-152
  5.5 本章小结  152-153
第六章 π型结构蜂窝铝板在风机叶片上的工程应用  153-160
第七章结论  160-163
  7.1 本文结论  160-161
  7.2 本文的主要创新点  161
  7.3 展望  161-163
参考文献  163-172
致谢  172-173
附录：攻读博士学位期间发表的学术论文及专利  173-175
程序(流程)  175-181

钎焊蜂窝铝板力学性能研究

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