新型曲面摺疊芯材夾層殼及其在工程中的套用研究

《新型曲面摺疊芯材夾層殼及其在工程中的套用研究》是依託上海交通大學，由周翔擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：新型曲面摺疊芯材夾層殼及其在工程中的套用研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：周翔
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

摺疊芯材夾層結構是一種新的複合材料夾層結構，它具有一些現有的夾層結構所不具備的優點。然而，目前對於摺疊芯材的研究主要集中於平的夾層板及其套用上，關於用摺疊芯材製作的彎曲的夾層殼的研究還未開展。針對這一問題，本項目擬以曲面摺疊芯材夾層殼為研究對象，採用幾何分析、有限元模擬、實驗研究和綜合分析相結合的研究方法，研究基於棋盤式摺紙結構的、滿足給定幾何形狀的、具有單向和雙向曲率的摺疊芯材幾何設計方法，揭示不同材料、摺疊構型和幾何參數下曲面摺疊芯材及其夾層殼的力學性能，提出曲面摺疊芯材的設計準則，建立曲面摺疊芯材的有效製造技術，並以飛機機身殼體和大型運載火箭整流罩兩種典型的曲面結構為套用目標，對基於摺疊芯材的曲面夾層殼的適用性進行基礎研究。本項目的研究工作將為曲面摺疊芯材夾層結構在航空和航天結構中的廣泛套用提供必要的理論和實驗依據，所涉及的研究內容處在世界前沿，因此本項目研究具有重要的理論和套用價值

結題摘要

摺疊芯材夾層結構是一種新型複合材料夾層結構，它具有現有的夾層結構所不具備的優點。現有關於摺疊芯材的研究主要集中於Miura平面摺疊結構，為此，本項目主要圍繞曲面摺疊芯材的幾何設計方法、力學性能和製造技術開展研究，取得如下研究成果：在幾何設計方法上，我們提出了一種基於頂點坐標生成的三維摺疊結構設計方法，該方法能夠通過簡單編程計算得到大量不同類型的三維摺疊結構，而且可以在任意給定的兩個單向曲面之間生成摺疊結構，還能夠模擬所生成的摺疊結構的摺疊過程，從而大大簡化了摺疊芯材的幾何設計。我們還提出了一種基於梯形面元的雙向曲率摺疊結構的設計方法，該方法首次實現了在給定的兩個具有公共對稱軸的旋轉對稱曲面之間生成可剛性摺疊的單層或多層摺疊結構。在摺疊芯材的力學性能研究上，我們以平面摺疊芯材為切入點，建立了基於殼單元的摺疊芯材的有限元分析模型，對多種材料（包括：鋁、熱塑性材料、KFRP）製備的摺疊芯材夾層結構的力學性能進行了綜合評估和最佳化，得到了芯材的力學性能與摺疊參數之間的關係，從而為實際套用中摺疊芯材的設計和選材提供參考。我們以飛機夾層結構機身為背景，分析了圓筒形摺疊芯材夾層結構在軸向壓縮、內外壓差及徑向壓潰載荷下的力學性能。我們還對由多層摺疊芯材堆疊形成的塊狀材料的力學性能開展理論研究，發現這種材料具有負的三向泊松比，其剛度在摺疊角度的最小值處趨近於無窮，這些特性顯示出這種材料在隔振、抗衝擊等方面的優勢。在摺疊芯材的製造方面，我們建立了適用於熱塑性材料和複合材料摺疊芯材的高精度製造方法，並開展了KFRP摺疊芯材試驗件的準靜態和衝擊力學試驗。我們還提出了一種連續製造摺疊芯材的技術方案。通過本項目研究，共培養本科生1名、碩士研究生3名、博士研究生1名。已發表7篇SCI論文和1篇國際會議論文，專利授權5項，申請1項。本項目的研究結果將為今後摺疊芯材的工程套用打下重要的基礎。