基于高性能蜂窝板的单层铝合金组合网壳的力学性能及设计方法研究

In addition to the advantage of light weight and high strength, brazed aluminum honeycomb panel avoids easy degumming and poor durability of the general glued honeycomb panel when in bad environment. This project takes the lead in using the patent technology, connecting the brazed aluminum honeycomb panel with aluminum alloy bar in a reliable way. Thus, to form a single-layer composite structure of aluminum alloy latticed shell, with panel and bar working together will be possible. The initial research suggests that this new composite spatial structure can upgrade the integrated stability and the ultimate bearing capacity noticeably compared with that in the same span. It has an integration of bearing and enclosure, may enjoys a high prospect of being put into use. In order to address some basic theoretical problems remained within this new structure, researches to be carried out in this project are as follows. (1)Put a kind of efficient “improved eight node honeycomb equivalent element”, to establish a new structure with honeycomb sandwich panel, using reasonable, equivalent method; (2)Introduce the “dynamic point contact model” and the “short column bending torsion spring model”, to propose a rational design for the connection and the according reduced formula through an analogous simulation on the complex connection performance between the honeycomb panel and the aluminum alloy bar; (3)Use the “improved stochastic imperfection modal method” to analyze the non-linear stability of the defects in initial state between the panel and the bar, so as to fully grasp the mechanical characteristics as well as the failure mechanism of such new latticed shell, and promote the study of analogous spatial structures.

钎焊铝蜂窝板除具有轻质、高强的结构性能外，更避免了胶接型蜂窝板，在恶劣环境下易脱胶、耐久性差的缺点。本项目率先提出运用专利技术，将钎焊铝蜂窝板与铝合金网壳杆件可靠连接，形成板杆协同工作的单层铝合金组合网壳结构。前期研究表明，该新型结构显著改善了同跨度铝合金网壳结构的整体稳定性。集承重和围护于一体，充分发挥了高性能蜂窝板的结构作用，具有良好的应用前景。为尽快解决该新型结构中的基础理论问题，拟开展以下研究工作：（1）提出一种高效的“改进型八结点蜂窝等效单元”，构建大跨结构用铝合金蜂窝板弹性参数的合理等效方法；（2）引入“动态点对接触模型”及“小立柱抗弯扭弹簧模型”，有效模拟板与杆之间复杂的连接性能，并提出实用的连接设计方法；（3）运用“改进型随机缺陷模态法”，对新型铝合金组合网壳结构，进行非线性稳定分析和模型试验研究，以全面掌握其受力特征及破坏机理，为类似空间结构的发展起到一定的促进作用。

本项目将铝合金蜂窝板与铝合金网壳连接，构成一种板杆协同工作的组合网壳结构。针对其中的关键问题开展了理论分析和试验研究。（1）在铝合金蜂窝板的基本力学性能研究方面。尤其是在蜂窝板的侧压稳定性研究方面，初步探明了不同长厚比蜂窝板的侧压屈曲性能。当平面尺寸相同、厚度不等时，蜂窝板在压屈前具有相同的抗压刚度，而侧压屈曲承载力则随着蜂窝芯厚度的增加先快速增加后趋向于一极限值。厚度相同、长度不等的试件其抗压刚度不同，但最大侧压屈曲荷载则相当接近。（2）在铝合金蜂窝板的连接性能研究方面。本项目针对三种不同连接方式的蜂窝板，开展了连接性能的理论分析和试验研究。基于大量的参数化分析和连接实验结果，拟合出连接件的极限承载力简化计算公式，通过与现行规范公式的对比分析表明，拟合公式的计算结果更符合蜂窝板连接件的实际状况，为将来修订蜂窝板结构的设计规程提供了一定的理论依据，也为工程设计人员提供了有效的简化计算方法。（3）在单层铝合金组合网壳的稳定性研究方面。通过对考虑初始几何缺陷的铝合金网壳模型进行的稳定性对比试验结果表明，组合网壳的稳定承载力比同跨度的无板网壳显著提高。通过对大量铝合金组合网壳算例的计算分析表明，当组合网壳的初始几何缺陷达到跨度的3/1000时，其稳定承载力急剧下降，为此建议取该值为组合网壳的缺陷幅值。（4）在铝合金网壳新型节点的研究方面。针对现有的铝合金板式节点，主要依靠上下盖板承受弯矩和部分剪力的不足，本项目提出了一种在盖板之间增设楔块的插接式新型节点。理论分析和试验研究结果表明，该节点具有更高的承载能力，尤其是抗剪能力大幅提高。总之，本项目通过系统研究，全面完成了研究目标，并获得预期的研究成果。但由于本项目的研究内容和时间所限，有关该类组合网壳结构的连续倒塌性能等方面，还有待今后深入研究，以便为其工程实施提供更全面的理论支撑，也为类似空间结构的发展起到一定的促进作用。