Research on the load-bearing capacity and defect sensitivity of three-dimensional lattice cylindrical shells under axial compression

Abstract

世界航天已经进入了大规模深空探测的新时代，对承载人类驶向星辰大海梦想的重型运载火箭，在干质比、可靠性和轻量化设计方面提出了更高的要求。为此，迫切需要发展更为高效和可靠的全新结构设计理念，促进超大尺寸重型运载火箭结构设计的重大变革。三维点阵夹层壳因其抗弯刚度高、轻量化空间大和多功能性一体化等优势，是应用于重型运载火箭壳体的一种潜在的结构形式。然而，当前制约其工程应用主要有三个方面：第一，三维点阵夹层壳体结构制备工艺不成熟，特别是制备空间的约束导致难以一体化成型大尺寸试样，非一体化成型的面芯匹配性和连接性也总是面临挑战；第二，与单层壳相比，三维点阵夹层壳多种失效模式竞争，其承载优势范围不明晰，需要发展理论模型与优化方法来确定最优的设计空间；第三，三维点阵夹层壳在制备和服役过程中会存在缺陷与损伤，而其对承载性能的敏感性尚不清楚。针对上述问题，本文首先尝试开展了面向大尺寸三维点阵夹层壳高效制备方法的研究。然后，建立了轴压下金字塔点阵夹层薄壳的失效理论和失效图谱，讨论了结构参数对承载性能的影响，并进行优化设计获得优势空间。最后，系统讨论了不同程度、分布和类型的缺陷与损伤对轴压承载性能的影响。 提出了一种适合大尺寸三维点阵曲面夹层壳制备的嵌锁-铰接方法，完成了用于轴压测试的金属壳体试样的制备与处理。针对三维点阵曲面夹层壳面临的面芯匹配差和难以一体化成型大尺寸试样等问题，基于嵌锁-组装方法，释放相邻点阵胞元间共有节点的转动自由度，提出了嵌锁-铰接的制备工艺。点阵夹芯的设计仅依赖于胞元尺寸和数量，而非蒙皮的形状，不受制备空间的限制。铰接的设计思想实现了三维点阵夹芯对广义柱面类型蒙皮的自适应。研究了连接形式和尺寸效应对力学行为的影响。与嵌锁型相比，采用合适共线型设计的点阵试样具有更优的模量和强度。嵌锁-铰接设计与制备方法为大尺寸三维点阵夹层壳的制备工艺提供了潜在的技术储备。 开展了金字塔点阵夹层薄壳失效行为与结构优化研究。在多失效模式约束下，研究了相同质量指标和几何尺寸下金字塔点阵夹层壳与单层壳的轴压承载性能。考虑薄壳几何约束，建立了失效理论并构筑了失效图谱。讨论了金字塔点阵夹层壳和等效单层壳的临界载荷比随设计变量变化的规律。当夹芯层在允许范围内足够小，且无量纲化蒙皮厚度和杆厚接近0.00075时，金字塔点阵夹层壳的承载能力可达单层壳的1.65倍。 面向大尺寸三维点阵薄壁壳3D打印制备约束条件开展设计参数影响与优化研究。考虑制备工艺的限制和局部失效对轴压承载性能的削弱，研究了变化斜杆倾角和具有不同节点分布多层金字塔点阵夹层薄壳的轴压失效行为，并分析了结构参数的影响。推导了变化斜杆倾角金字塔点阵夹层壳的失效理论，讨论了斜杆倾角(变化范围15&deg;~60&deg;)与几何参量对失效模式和临界载荷比的影响规律。建立了斜杆倾角为45&deg;的多层金字塔点阵夹层壳的多失效理论，讨论了点阵夹芯层数(N)、节点分布以及关键几何量等结构参数的影响。当夹芯层厚度逼近最小允许厚度，且蒙皮厚度和夹芯厚度接近且非常小时，最优解可达单层壳的8倍。 通过数值模拟开展了金字塔点阵夹层壳局部损伤和缺陷敏感性分析。当失效模式为局部蒙皮屈曲时，金字塔点阵夹层壳对胞元缺失和节点未绑定较为敏感。随着开孔半径的增加，临界载荷呈现出阶梯式的下降趋势。与等效的单层壳相比，金字塔点阵夹层壳对一阶局部蒙皮屈曲和芯杆屈曲模态缺陷不敏感，对单点凹陷的敏感性要略高。 开展了金字塔点阵夹层壳缺陷敏感性实验研究。采用了选择性激光熔融技术和减材制造方法制备了金字塔点阵夹层壳和单层壳。采用三维形貌扫描仪获得了两种钛合金壳体结构的初始缺陷的分布和大小。通过3D-DIC应变测量系统获得了变形以及失效模式的演化过程。与单层壳相比，具有更大初始缺陷的金字塔点阵夹层壳在减重6%的基础上，其单位质量的实际极限载荷提高15%，载荷折减因子提高76%。</p