格栅-蜂窝混式夹芯结构的破坏机制及面内力学性能研究

Mechanical properties of grid-honeycomb hybrid sandwich structures are much higher than common sandwich structures with single core. The preliminary studies of the applicant indicate that a positive interaction between the grid component and honeycomb component is achieved for the hybrid sandwich structures, which significantly increases the mechanical properties, e.g., stiffness, specific stiffness, peak load and energy absorption. However, multiple components are contained in the hybrid core that induces complex deformation behavior and failure mechanism of the hybrid core and structures. In this project, the failure mechanism and in-plane mechanical properties of the grid-honeycomb hybrid sandwich structures will be analytically and experimentally studied. Firstly, the mechanical properties, deformation history of the hybrid core will be examined by in-plane compression and shear tests, considering the effect of probable failure of joints between grid and honeycomb. Then, based on a probability density function of the slipping failure between grid and honeycomb, an analytical model will be proposed to calculate the equivalent in-plane properties of the hybrid core. Finally, the failure modes and peak load of the hybrid sandwich structures will be analyzed and optimized by considering various deformation modes of the hybrid core in conjunction with face-core displacement continuity condition.

格栅-蜂窝混式夹芯结构的力学性能明显优于传统的单一芯体夹芯结构。申请者前期研究表明：格栅-蜂窝混式夹芯结构可以实现两种芯体之间的优势互补，显著提高夹芯结构的刚度、比刚度、极限载荷以及能量吸收等性能。然而，由于混式芯体内部包含格栅、蜂窝以及连接格栅和蜂窝的树脂等微观结构，导致混式芯体乃至混式夹芯结构的变形行为和破坏机制十分复杂。本项目拟采用理论与实验相结合的方法，研究格栅-蜂窝混式夹芯结构的破坏机制和面内力学性能。首先，通过面内压缩和剪切实验，测量混式芯体的宏观力学性能，并观测其变形历史，揭示混式芯体的概率不确定性滑移破坏机制。其次，通过引入描述格栅-蜂窝连接壁面滑移破坏的概率密度函数，建立基于不确定性约束的混式芯体刚度分析模型，计算混式芯体的等效面内力学性能。最后，综合考虑混式芯体的各种变形模式，应用面板-芯体位移连续条件，分析格栅-蜂窝混式夹芯结构的破坏形式和极限载荷，并进行优化设计。

本项目按照计划对格栅-蜂窝混式夹芯结构开展研究，采用理论与实验相结合的方法，研究混式芯体以及混式夹芯结构的变形行为和破坏机制，此外本项目基于可移动变形构件，对复合材料加筋板的加筋布局进行显式拓扑优化计算。本项目按计划顺利执行。.基于格栅-蜂窝混式夹芯结构，提出混式芯体等效刚度分析模型，计算混式芯体的等效面内力学性能。该等效刚度模型与格栅-蜂窝混式夹芯试件的三点弯曲试验吻合良好。基于此等效刚度模型，对格栅-蜂窝混式夹芯结构进行参数化分析。研究表明，芯体高度对比抗弯刚度影响最大，而格栅间距对碳纤维格栅-蜂窝混式夹芯结构的比面内刚度影响最大。.基于蜂窝非线性本构与完美界面粘接假设，建立了格栅-蜂窝混式夹芯结构仿真模型，对不同冲击位置和冲击角度下混式芯体夹芯板的破坏模态及力学响应进行研究。结果表明：不同冲击位置及不同角度冲击下结构损伤模态及吸能模式存在巨大差异。格栅-蜂窝混式芯体可以显著提高结构的抗低速冲击性能，对于冲击损伤具有良好的限制作用。.使用双线性内聚力单元模拟了芳纶短纤维增韧树脂界面层的断裂行为，并基于短纤维增韧试件的三点弯曲实验数据进行校核。相关结果表明，当增韧界面的断裂韧性达到一定阈值后，复合材料夹芯板在三点弯曲下的峰值载荷趋于收敛，其数值与完美粘接试件的峰值载荷相当。选取的多种典型纤维长度中，6mm长的短纤维增韧效果最优，在增韧面密度相同时，3mm长的短纤维增韧效果最不明显。.通过可移动变形构件优化法，对复合材料加筋板的筋条布局进行显式拓扑优化。该计算可以提供明确的筋条布局。此外，充分考虑格栅-蜂窝混式夹芯结构的仿生特性，将自然界中的叶片和叶脉分别视为薄板与加强筋，分析叶片在自重载荷下的变形，研究叶脉分布对叶片变形的影响。初步证实了树叶叶脉分布是力学性能最优化驱动下的演化结果。.以上研究结果可服务于高速列车载具结构设计等重大运载装备领域，本项目具有成果转化和应用潜力。