【摘 要】
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随着航空航天等领域的快速发展,对高性能、功能一体化的轻质结构提出了更高的应用需求。而现有轻质结构存在功能单一、局部性能差、制备难度大等问题。激光选区熔化成形（SLM）技术虽然为复杂轻质结构提供了一种便捷的制造方法,但SLM成形轻质结构的力学性能预测模型和失效模式等研究仍十分匮乏。因此,本文基于东方龙虱鞘翅的功能特性和微观结构特点,设计获得一种轻质仿生结构,建立了仿甲虫鞘翅轻质结构的力学性能预测模型
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随着航空航天等领域的快速发展,对高性能、功能一体化的轻质结构提出了更高的应用需求。而现有轻质结构存在功能单一、局部性能差、制备难度大等问题。激光选区熔化成形（SLM）技术虽然为复杂轻质结构提供了一种便捷的制造方法,但SLM成形轻质结构的力学性能预测模型和失效模式等研究仍十分匮乏。因此,本文基于东方龙虱鞘翅的功能特性和微观结构特点,设计获得一种轻质仿生结构,建立了仿甲虫鞘翅轻质结构的力学性能预测模型和多目标优化设计模型,针对SLM成形仿甲虫鞘翅轻质结构的力学性能和失效模式进行了系统性研究。主要研究内容和成果如下:（1）研究了东方龙虱鞘翅的微观结构特征,设计了一种仿生轻质结构并建立了结构的力学性能理论预测模型和多目标优化模型。根据东方龙虱甲虫鞘翅的功能特性与其微观结构的相关性,设计了一种仿生轻质结构,基于理论计算和力学分析,建立仿甲虫鞘翅轻质结构的压缩性能和三点弯曲性能的理论预测模型,通过响应面分析方法获得轻质结构的能量吸收性能的理论模型。采用非支配排序遗传算法建立相应的多目标优化设计模型。获得兼顾轻量化和吸能特性的最优结构参数为:芯层高度（hc）为9.00 mm、芯层厚度（tc）为0.67 mm和面板厚度（tf）为0.77 mm。（2）研究了仿甲虫鞘翅轻质结构的压缩性能和能量吸收特性。随着芯层高度增加,单层仿生轻质结构的比平压强度以及能量吸收性能先增加后减小。并且在压缩载荷作用下,小芯层高度结构失效模式主要是芯层断裂和面板断裂,大芯层高度的仿生结构的失效模式为芯层断裂。随着层数增加,I型多层仿生结构（层间平行构型）的压缩承载性能和比能量吸收性能逐渐降低;II型多层仿生结构（层间垂直构型）的承载性能缓慢降低,比能量吸收性能先基本保持不变后快速减小,II型双层仿生结构具有更优异的综合性能,其结构密度和比能量吸收分别是1.52g/cm3和9.16×103 J/kg。（3）通过理论推导、试验验证以及有限元分析方法,研究了弯曲载荷下仿甲虫鞘翅轻质结构的断裂失效图谱以及失效机理。在弯曲载荷下,SLM成形单层仿生结构的失效模式有面板屈曲和屈服、芯层屈曲和屈服。在本文参数范围内,随着芯层高度和面板厚度增加,仿生结构断裂过程均由面板屈曲→屈服转变为面板屈曲→芯层屈曲→面板屈服。随着芯层厚度增加,结构断裂过程由面板屈曲→芯层屈曲转变为面板屈曲→面板屈服→芯层屈曲。结构从单层增加至四层,整体结构弯曲载荷力分别增加70.2%,17.4%和10.9%,有效挠度分别增加了543%,9.7%和2.4%,整体结构的失效模式从面板屈服向压头凹陷和底面板快速断裂转变,有限元分析与试验结果吻合较好。（4）基于均匀化等效方法以及铁木辛柯梁理论,研究了仿甲虫鞘翅结构的等效原理,建立了仿甲虫鞘翅结构的等效结构模型。随着芯层高度的增加,X方向和Y方向的弹性模量、芯层结构XZ和XY平面的横向剪切模量、XY平面的泊松比均快速减小,而YZ平面的横向剪切模量逐渐增加。而芯层结构等效材料参数随芯层厚度的增加均表现出增加趋势。等效模型的弯曲刚度和压缩模量理论预测结果与试验结果基本吻合,随着芯层高度、面板厚度的增加,整体结构的弯曲刚度快速增加,压缩模量快速减小,芯层高度从3 mm增加到10 mm时,压缩模量减小了71%左右,随着面板厚度的增加,整体仿生轻质结构压缩模量缓慢增加,面板厚度从0.2 mm增加至1 mm,整体结构压缩模量仅增加41%。
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