形变可控的非均匀多孔材料结构设计

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当下,前沿新材料在我国乃至全世界主要的大国和地区都极其重视,作为前沿新材料中的多孔材料研究热度一直不断,它广泛应用到航空航天、生物医学等高精尖领域。智能飞机中的变体机翼面临着主要问题是如何能够精确的控制机翼内部零件结构,使结构的外形轮廓实现预定的目标形变。针对以上问题,本文通过理论分析和有限元仿真的研究方法,从基础的二维结构入手研究,对简单的平面矩形蜂窝板的形变进行控制。其中多孔材料中的力学超材料由于可人为自主设计材料内部结构的特性而受到追捧,基于材料学中“结构决定性能”的思想,通过对结构胞元进行合理地进行宏观或微观尺度的结构设计,将平面矩形板采用可编程性可调控性的力学超材料结构,是可以实现平面矩形蜂窝板的形变可控的。首先,通过经典线性GIBSON公式修改后的公式,分别基于线性本构关系和非线性本构关系,研究了胞元角度、水平胞壁长度a、倾斜胞壁长度b1对内凹六边形蜂窝结构胞元和常规六边形蜂窝结构胞元的力学性能影响规律。其次,在有限元软件ANSYS中,通过改变几何参数,研究对胞元结构、整体结构的线性分析与非线性分析的影响,对结构的等效弹性模量和等效泊松比的仿真值进行计算。经过对比发现,角度对结构等效泊松比的影响最大,水平胞壁长度a的影响次之,倾斜胞壁长度b1的影响最小。对比理论值与仿真值,存在一定的误差,可能是因为有限元仿真软件计算的误差(如模型简化的是否恰当、网格划分的好坏等等)。最后,利用ANSYS APDL与Workbench的响应面优化模块相结合的方式,进行蜂窝结构的进行优化设计,对一块垂直高度100 mm,水平长度由同一行的胞元个数以及水平胞壁长度a共同决定的的平面矩形蜂窝板进行结构优化设计,掌握响应面优化的原理与运行流程之后,先用ANSYS APDL进行线性和非线性结构静力分析,使用正交试验法产生的节点响应值为样本数据,然后导入Workbench的响应面优化模块中的实验样本点中,选择Kriging响应面,完成结构的优化。
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