柔性薄膜基底層合結(jié)構(gòu)的屈曲失穩(wěn)行為研究

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1、碩士學(xué)位論文柔性薄膜基底層合結(jié)構(gòu)的屈曲失穩(wěn)行為研究STUDYONBUCKLINGBEHAVIOURSOFTHEFLEXIBLEFILMSUBSTRATESTRUCTURE張則依哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年6月國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)：V414.3學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書(shū)分類號(hào)：621密級(jí)：公開(kāi)工學(xué)碩士學(xué)位論文柔性薄膜基底層合結(jié)構(gòu)的屈曲失穩(wěn)行為研究碩士研究生張則依導(dǎo)師王長(zhǎng)國(guó)教授申請(qǐng)學(xué)位工學(xué)碩士學(xué)科工程力學(xué)所在單位航天學(xué)院答辯日期2018年6月授予學(xué)位單位哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:V414.3U.D.C:621Dissertationforthe

2、MasterDegreeinEngineeringSTUDYONBUCKLINGBEHAVIOURSOFTHEFLEXIBLEFILMSUBSTRATESTRUCTURECandidate：ZhangZeyiSupervisor：Prof.WangChangguoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：EngineeringMechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring

3、-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘要柔性薄膜基底層合結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)化、大變形、便攜性等優(yōu)點(diǎn)，在柔性熱防護(hù)系統(tǒng)、柔性電子以及生物醫(yī)學(xué)工程等多個(gè)前沿領(lǐng)域中都具有廣闊的應(yīng)用前景。相比于傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)，柔性薄膜基底層合結(jié)構(gòu)在外載荷作用下更容易失去穩(wěn)定性，隨之產(chǎn)生大范圍屈曲波，從而改變了結(jié)構(gòu)的形態(tài)并影響了結(jié)構(gòu)的力學(xué)或物理性能。本文采用理論、實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，重點(diǎn)研究柔性薄膜基底層合結(jié)構(gòu)的屈曲失穩(wěn)行為，對(duì)柔性層合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有重要的理論和工程意義。首先，采用能量法獲取薄膜基底層合

4、結(jié)構(gòu)的屈曲和分層臨界預(yù)報(bào)公式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值分析方法進(jìn)行參數(shù)化分析和對(duì)照。實(shí)驗(yàn)中制備具有高界面粘結(jié)強(qiáng)度的柔性薄膜基底層合結(jié)構(gòu)，在單軸壓縮工況下其表面會(huì)出現(xiàn)褶皺、分層失穩(wěn)形貌，借助VIC-3D非接觸數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)可獲得其形貌及相關(guān)特征參數(shù)。通過(guò)有限單元法建立“預(yù)拉伸-壓縮”模型，得出薄膜、基底的彈性模量、泊松比等材料參數(shù)對(duì)于整體失穩(wěn)的影響。其中不同預(yù)制裂紋長(zhǎng)度對(duì)失穩(wěn)模式有很大影響，使得柔性薄膜基底層合結(jié)構(gòu)發(fā)生由屈曲到分層的演化，這為控制結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形的方式提供了指導(dǎo)。其次，以柔性熱防護(hù)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)仿真分析施加表面壓強(qiáng)工況下層合鋪設(shè)的平板型柔性熱

5、防護(hù)系統(tǒng)，其橫向變形僅為0.01%，難以實(shí)現(xiàn)隨航天器的氣動(dòng)外形改變而產(chǎn)生大變形。從材料方面進(jìn)行改性設(shè)計(jì)很難突破斷裂強(qiáng)度的瓶頸。根據(jù)褶皺的“過(guò)度收縮”特性，這里提出了加入波紋曲面設(shè)計(jì)的柔性熱防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，旨在實(shí)現(xiàn)既能抵抗強(qiáng)熱、最大限度地減少氣動(dòng)熱傳入結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁，又能實(shí)現(xiàn)高效法向承載、橫向大變形，對(duì)航天器進(jìn)行隨體保護(hù)。通過(guò)仿真分析驗(yàn)證，增加了波紋型曲面設(shè)計(jì)的柔性熱防護(hù)系統(tǒng)通過(guò)增大褶皺波幅值、減小波長(zhǎng)，可以在保證法向承載的基礎(chǔ)上增強(qiáng)橫向大變形能力。最后，對(duì)不同構(gòu)型的柔性熱防護(hù)系統(tǒng)建立三維傳熱模型，并施加表面壓強(qiáng)，通過(guò)完全熱力耦合仿真分析，證明波紋型柔

6、性熱防護(hù)系統(tǒng)的防隔熱效果優(yōu)于平板型熱防護(hù)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)實(shí)際制備石英纖維氈層合熱防護(hù)樣件，進(jìn)行平均導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試，得到層合結(jié)構(gòu)相對(duì)于單一防隔熱材料的隔熱效果評(píng)估。通過(guò)制備平板構(gòu)型柔性熱防護(hù)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)具有曲率的波紋型柔性熱防護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)行高溫?zé)崃鲗?shí)驗(yàn)，對(duì)比相同時(shí)間后試件的冷面溫升，證明波紋型柔性熱防護(hù)系統(tǒng)防隔熱效果優(yōu)于平I哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文板型熱防護(hù)系統(tǒng)，與仿真結(jié)果相符。關(guān)鍵詞：薄膜基底層合結(jié)構(gòu)；屈曲；柔性熱防護(hù)系統(tǒng)；熱力耦合II哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractTheflexiblefilmsubstratestructurehast

7、headvantagesoflightweight,largedeformation,portability,etc.,andhasbroadapplicationprospectsinvariousfrontierfieldssuchasflexiblethermalprotectionsystems,flexibleelectronics,andbiomedicalengineering.Comparedwiththetraditionalrigidstructure,theflexiblefilmsubstratestructureismorel

8、ikelytoloseitsstabilityundertheactionofexternal