论文部分内容阅读
蜂窝夹层木质复合材由于等效密度低、制造的便利性、力学的复合效应、可设计性及平整度高等优点在家具产品、室内装饰、包装运输等民用领域具有广泛应用前景。研究该种复合结构材在横向承载下的力学特性,为产品优化设计与工程应用提供理论基础,意义重大。本文以蜂窝夹层木质复合材为研究对象,系统研究了横向载荷作用下夹层梁的弯曲性能及夹层板的平压性能,结论如下:(1)推导出了基于等效单层梁理论计算软夹芯夹层梁最大弯曲正应力的公式。运用正交试验法进行蜂窝夹层梁三点弯曲试验,结果表明:蜂窝边长对静曲强度的影响极其显著,表板类型、涂胶量对静曲强度的影响不显著;芯层厚度对“//”方向试件静曲强度的影响显著,而对“⊥”方向试件影响极其显著。“⊥”方向试件的静曲强度值均高于“//”方向试件。在Winkle弹性地基梁理论的基础上,考虑了表板弯曲正应力对局部凹陷的影响,推导出软夹芯夹层梁三点弯曲试验表面压溃载荷的计算公式。系统分析了芯层剪切失效与表面压溃二种弯曲破坏模式,并将理论模型与试验数据进行对比分析,相对误差约±20%以内。(2)建立了基于二变量的夹层梁弯曲变形的分层一阶剪切理论。该理论与三点弯曲试验结果、传统一阶剪切理论的对比分析,结果表明:小弹性变形范围内,分层一阶剪切理论比传统一阶剪切理论预测的跨中挠度值保守。在同样的受力条件下,“//”方向试件跨中挠度均大于“⊥”方向试件。分层一阶剪切理论计算的芯层切应变与切应力值比传统一阶剪切理论低,但随着芯层厚度的增加,二种理论的计算差异逐渐变小。将分层一阶剪切理论计算的切应力在横截面积分,其剪力值满足于静力平衡条件。(3)在分层一阶剪切理论的基础上,建立了二节点六自由度的有限元梁单元模型。数值分析结果表明:小弹性变形范围内,有限元模型与分层一阶剪切理论计算的跨中挠度十分接近,平均差异小于10%。当芯层厚度较小时,有限元模型计算的横截面切应变与切应力接近于分层一阶剪切理论;随着芯层厚度的增加,其值逐渐靠近传统一阶剪切理论。(4)在传统一阶剪切理论的基础上,修正了夹层梁横截面切应力值和芯层剪切模量,建立了修正一阶剪切理论。数值分析结果表明:当芯层厚度较小时,修正一阶剪切理论与分层一阶剪切理论计算的跨中挠度十分接近;当芯层厚度增加时,修正一阶剪切理论的模型预测值逐渐介于分层一阶剪切理论与传统一阶剪切理论之间;同时,剪切挠度、因弯矩引起的挠度随之减小,但剪切挠度占总挠度的比重越来越大。另外,当芯层厚度增加时,修正一阶剪切理论与传统一阶剪切理论计算的剪切挠度值趋于一致。(5)在三点弯曲试验的基础上,推导出考虑上表板弯曲正应力的表面压痕位移计算公式。对比试验数据,考虑压痕分层一阶剪切理论与考虑压痕修正一阶剪切理论的跨中挠度预测精度好于传统一阶剪切理论。(6)运用正交试验法进行蜂窝夹层板平压性能试验,结果表明:蜂窝边长对芯层横向弹性模量和平压强度的影响极其显著,涂胶量对芯层横向弹性模量和平压强度的影响较显著,表板类型、芯层厚度对芯层横向弹性模量和平压强度的影响不显著。在平压强度试验的基础上,推导出基于Timoshenko薄板稳定理论的夹层板受压等效临界屈曲应力的计算公式,并与试验数据进行对比,相对误差约±15%以内。在芯层蜂窝材料选定的情况下,增加胞元壁厚和减小胞元的边长能有效增强蜂窝夹层板的抗压性能。