轻质点阵材料的结构-热耦合效应

从理论、数值计算、实验三方面研究轻质点阵材料的热-结构耦合效应。针对几种典型的点阵材料，结合其微结构和周期排布的特点，研究在热环境中或热载荷作用下点阵结构的热屈曲、动态响应以及结构中应力波的传播规律。通过分析点阵材料微结构与临界热屈曲温度之间的关系，对微结构进行优化以提高结构的热承载能力；通过分析点阵材料微结构与整体结构动态响应特性和应力波传播规律的关系，对微结构进行优化设计以实现整体结构的减振、降噪功能。

本课题针对金字塔型和正四面体型两种典型的点阵夹芯结构，结合其微结构和周期排布的特点，从理论、数值计算、实验三方面分别研究了其热-力耦合效应。建立了点阵夹芯结构热稳定性的等效理论，进行了在压力和热载荷下的屈曲实验，以及热-力耦合作用下的屈曲实验研究，并结合有限元方法对理论和实验结果进行了分析。具体包括如下三方面内容：.1） 将点阵夹芯板等效为二维均匀连续厚板，建立了点阵夹芯结构热稳定性的等效理论。以四边简支边界条件下的点阵夹芯板为例，得到了临界屈曲温度的解析表达式，并与有限元计算结果比较验证了其正确性；给出了均匀温度场下，点阵材料微结构与临界热屈曲温度之间的关系；以临界屈曲温度最大化为设计目标，对点阵夹芯板进行了结构优化，经过参数优化的点阵夹芯板抗热屈曲能力明显提高。.2）以铝质正四面体型点阵夹芯梁为检测对象，分别进行了在压力和热载荷下的屈曲实验，以及热-力耦合作用下的屈曲实验研究，并结合有限元方法进行了分析。实验结果表明：压力导致的屈曲和热屈曲会导致结构的屈曲形式不同，热载荷易使结构产生局部屈曲破坏；试件的完好程度对屈曲形式及试件承载能力影响较大，含缺陷试件往往会造成结构产生局部屈曲，并且试件的承载能力明显下降；两种屈曲机制下，结构承载能力对缺陷的敏感程度不同，压力导致的屈曲对缺陷更加敏感，结构承载能力下降更明显。.3）以正四面体型点阵夹芯铝板为例，通过有限元方法研究了压力和温度变化导致的结构屈曲模态的区别，讨论了点阵夹芯板热稳定性等效理论的适用性。结果表明：在点阵夹芯板受均匀温度变化时，由于热应变的影响，结构失稳变形的局部性更明显一些，而施加均布载荷时更倾向于整体失稳，该结论与上述实验结果一致。.本项目为国家自然科学基金项目“基于动态性能的超轻质点阵材料结构一体化设计”（90916007）的延续项目，关于轻质点阵材料的动态响应以及结构中应力波的传播规律的研究见主课题。