蜂窝夹芯板的热学与力学特性分析

       采用细观力学的分析方法，从蜂窝夹芯复合材料板中选取代表性的细观胞元，应用周期性条件、三维有限元方法分析了细观胞元的温度场和应力场，计算得到宏观热学与力学参数，还考虑了蜂窝芯内部的辐射换热，讨论了蜂窝芯对夹芯板宏观导热系数、刚度及热膨胀系数的影响。结果表明：沿厚度方向导热系数与传统算法比较有较大差异，刚度参数除D12外都可以由传统公式近似，而计算热膨胀系数时不能忽略芯层热膨胀的影响。

      蜂窝夹芯复合材料板由蒙皮和蜂窝芯层组成，如图1。它具有更大的比模量和比强度、优良的隔热隔声性能、较长的使用寿命以及可设计等优点，被广泛应用于航空、航天工业。飞行器在发射升空和空间工作过程中会在恶劣的载荷条件下工作，对其中的温度场、变形和应力场进行研究，给出宏观的热学与力学参数，对于飞行器的合理设计具有重要意义。

      目前大量文献假设芯层部分为正交各向异性或横观各向同性均质材料，将蜂窝夹芯板当作复合材料层合结构进行处理，通过假设沿层厚方向的温度和位移分布将三维问题简化为二维板壳，二维宏观模型分为单层和多层模型。关于温度场分析，单层模型有：王勖成等构造了一种壳体温度单元，假设温度沿壳体厚度为线性或二次函数变化；Argy-ris等提出了一种能处理包括辐射在内各种的边界条件的3结点6自由度平板三角形单元，假定温度沿厚度线性变化：Surana等提出了一种温度曲壳单元，假定温度沿壳体厚度可以为任意阶多项式分布。基于温度分层假定的多层模型很少，张晓东等构造了一种可适用于瞬态辐射换热问题的32结点蜂窝夹芯温度壳单元，假定上下蒙皮温度沿厚度方向二次分布，芯层沿厚度为线性分布。这些二维模型都考虑了沿厚度的温差，这是因为沿层厚温差是造成板壳热变形和热应力的主要因素，而
此温差取决于沿层厚的导热系数。关于复合材料层合结构热应力计算，Noor总结了已有模型并指出：在考虑热载荷作用的情况下，所有的二维模型都无法准确计算层间横向应力，特别是横向正应力。这说明热应力计算还存在很多问题。而蜂窝夹芯板的宏观热学与力学参数对于用二维单层或多层模型研究其温度场与热应力场是十分重要的。

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