新型曲面折叠芯材夹层壳及其在工程中的应用研究

Foldcore sandwich structure is a new sandwich concept developed in recent years that is superior to the conventional sandwich structures. As a result, it is deemed as a promising next-generation structural material for the aerospace industry. Past research on foldcore sandwich structure in the literature mainly focused on the flat foldcore sandwich plate. There has been little or no research on singly or doubly curved foldcore sandwich shells despite the fact that many practical structures have a curved shape. Therefore, the latter are chosen as the target of research in this project. First of all, the geometric design of curved foldcores that can fit into the space between two pre-defined curved surfaces will be obtained using the principle of rigid and tessellation origami. Second, the mechanical properties of curved foldcore sandwich shells made of different sheet materials and having various folding patterns and geometric parameters will be explored by a combination of the finite element analysis and experiments, based on which an optimization design protocol is proposed. Finally, several techniques to effectively manufacture curved foldcores will be investigated. The target applications of this project are the aircraft fuselage and rocket payload shroud which are two typical structures with curved profiles though it is expected that the research outcomes of this project would pave the way for curved foldcore sandwich shells to the applications on a wide range of aerospace structures and hence are of both significant scientific and practical value.

折叠芯材夹层结构是一种新的复合材料夹层结构，它具有一些现有的夹层结构所不具备的优点。然而，目前对于折叠芯材的研究主要集中于平的夹层板及其应用上，关于用折叠芯材制作的弯曲的夹层壳的研究还未开展。针对这一问题，本项目拟以曲面折叠芯材夹层壳为研究对象，采用几何分析、有限元模拟、实验研究和综合分析相结合的研究方法，研究基于棋盘式折纸结构的、满足给定几何形状的、具有单向和双向曲率的折叠芯材几何设计方法，揭示不同材料、折叠构型和几何参数下曲面折叠芯材及其夹层壳的力学性能，提出曲面折叠芯材的设计准则，建立曲面折叠芯材的有效制造技术，并以飞机机身壳体和大型运载火箭整流罩两种典型的曲面结构为应用目标，对基于折叠芯材的曲面夹层壳的适用性进行基础研究。本项目的研究工作将为曲面折叠芯材夹层结构在航空和航天结构中的广泛应用提供必要的理论和实验依据，所涉及的研究内容处在世界前沿，因此本项目研究具有重要的理论和应用价值

折叠芯材夹层结构是一种新型复合材料夹层结构，它具有现有的夹层结构所不具备的优点。现有关于折叠芯材的研究主要集中于Miura平面折叠结构，为此，本项目主要围绕曲面折叠芯材的几何设计方法、力学性能和制造技术开展研究，取得如下研究成果：在几何设计方法上，我们提出了一种基于顶点坐标生成的三维折叠结构设计方法，该方法能够通过简单编程计算得到大量不同类型的三维折叠结构，而且可以在任意给定的两个单向曲面之间生成折叠结构，还能够模拟所生成的折叠结构的折叠过程，从而大大简化了折叠芯材的几何设计。我们还提出了一种基于梯形面元的双向曲率折叠结构的设计方法，该方法首次实现了在给定的两个具有公共对称轴的旋转对称曲面之间生成可刚性折叠的单层或多层折叠结构。在折叠芯材的力学性能研究上，我们以平面折叠芯材为切入点，建立了基于壳单元的折叠芯材的有限元分析模型，对多种材料（包括：铝、热塑性材料、KFRP）制备的折叠芯材夹层结构的力学性能进行了综合评估和优化，得到了芯材的力学性能与折叠参数之间的关系，从而为实际应用中折叠芯材的设计和选材提供参考。我们以飞机夹层结构机身为背景，分析了圆筒形折叠芯材夹层结构在轴向压缩、内外压差及径向压溃载荷下的力学性能。我们还对由多层折叠芯材堆叠形成的块状材料的力学性能开展理论研究，发现这种材料具有负的三向泊松比，其刚度在折叠角度的最小值处趋近于无穷，这些特性显示出这种材料在隔振、抗冲击等方面的优势。在折叠芯材的制造方面，我们建立了适用于热塑性材料和复合材料折叠芯材的高精度制造方法，并开展了KFRP折叠芯材试验件的准静态和冲击力学试验。我们还提出了一种连续制造折叠芯材的技术方案。通过本项目研究，共培养本科生1名、硕士研究生3名、博士研究生1名。已发表7篇SCI论文和1篇国际会议论文，专利授权5项，申请1项。本项目的研究结果将为今后折叠芯材的工程应用打下重要的基础。