蜂窝结构范文

蜂窝结构范文（精选9篇）

蜂窝结构 第1篇

国外Jonathan D. Bartley-Cho等提出采用柔性较大的橡胶类材料制作的柔性蒙皮［4］, 这种蒙皮虽然满足机翼变形及气密性要求, 却存在承载能力及变形控制困难的限制; 中国哈尔滨工业大学提出一种应用形状记忆聚合物制作蒙皮, 该蒙皮与形状记忆聚合物泡沫相结合能成功实现整个机翼及其蒙皮变形要求, 但是, 也存在驱动困难, 承载性能差的问题［5］; 南京航空航天大学设计一种U型复合材料柔性蒙皮, 能够实现特定方向上的变形及承载要求, 但是变形的方向单一［6］。

本文针对一种蜂窝结构柔性蒙皮变形特性进行研究。蜂窝结构由于在不同方向上变形方式的差异, 因而在有较低的共面刚度, 和较高的异面弯曲刚度即承载性能［7］。基于Y模型蜂窝拉伸模型［8，9］, 研究在平行于双层蜂窝壁方向载荷作用下蜂窝结构蒙皮拉伸变形, 利用有限元分析软件及实验测试完成对层合板复合材料蜂窝结构拉伸变形特性的分析研究。

1蜂窝结构拉伸变形力学分析

本文针对六边形蜂窝结构, 同时考虑蜂窝结构蒙皮基体制作工艺导致的不同胞壁厚度, 建立Y型蜂窝夹芯拉伸模型。与众多蜂窝芯等效模型相比, Y模型建立在力的平衡关系上且结构简洁、分析简单, 如图1所示。为了简化理论分析, 建模过程中提出如下假设: ⑴基体材料各向同性; ⑵变形过程中只存在线性变形; ⑶同一约束和受力状态下, 蜂窝各单元变形相同。

本文设定夹芯材料各向同性, 弹性模量为Es, 胞壁厚度分别为t、2t, 胞壁长度分别为l、h, 蜂窝芯的厚度为b。为避免x向粘接胶体对变形性能的影响, 本文主要研究施加y轴方向载荷作用时基体试件的拉伸变形。

图2为Y模型受y轴方向载荷作用, W为单向应力 σy时y方向等效拉力, M为此时等效弯矩:

AB胞壁与BC胞壁y向伸长

AB胞壁与BC胞壁x向挠度

BD胞壁y向拉伸变形

可知单个Y模型在沿y轴变形量:

将蒙皮结构沿y轴方向分为n个Y型等效模型, 弹性范围内线性叠加, 整个蒙皮结构伸长量:

可见, 材质固定时蜂窝结构蒙皮的拉伸性能与蜂窝胞壁长度l、h, 蜂窝角度 θ, 蜂窝胞壁宽度b及厚度t都有关系。

当蜂窝结构为正六边形时, θ = 30°、h = l, 可得正六边形蜂窝结构蒙皮总变形:

同一材料相同尺寸的平板结构蒙皮:

当l  t且两种蒙皮采用同一材料时,

富明慧等［10］的研究成果一致。此外由式 ( 10) 可见, 相同材料及尺寸的正六边形蜂窝结构变形性能远优于相同尺寸的面板结构。

2有限元仿真

2. 1建立实体模型

任意结构的有限元分析都需要在几何结构准确建模及载荷的真实模拟的前提下完成。本文利用Patran自带作图模块依照所制作的蜂窝结构柔性蒙皮样件尺寸建立1∶ 1的实体模型。仿照拉伸试验机的加载方式, 试件一端完全固支, 另一端施加Y方向拉伸载荷。

2. 2有限元分析及加载求解

实体模型建立完成之后, 选用四边形单元 ( QUARD4) 以自动划分网格方式 ( mesh) 划分网格。 参考复合材料参数计算方法创建2D各向异性材料模型, 利用Patran分析软件中复合材料建模模块MSC. Laminate Modeler建立蜂窝结构蒙皮试件材料模型。真实蜂窝结构蒙皮试件胞壁分别为5层玻纤/环氧复合材料或双倍复合材料板粘接而成。因此, 将蜂窝结构胞壁的材料模型简化为10层及20层反对称正交铺设层合板结构, 铺层角度为[0°/ 90°], 材料主方向1与全局坐标Y轴方向一致［11］, 铺层材料参数如表1所示。

2. 3仿真结果分析

复合材料层合板结构由于方向层不同的刚度导致每一层不同的应力, 因而相对于金属材料更加侧重分析其应变量。图4为蜂窝结构蒙皮试件单层胞壁外表面应变云图。

从图4可知, 蜂窝结构蒙皮试件胞壁外表面应变最大的位置在倾斜胞壁上靠近三个胞壁粘接处。 倾斜胞壁在拉伸载荷作用下发生拉伸变形及弯曲变形导致倾斜胞壁应变远大于发生单纯拉伸变形下垂直胞壁产生的应变。此外, 蜂窝结构蒙皮试件两侧垂直胞壁由于拉伸载荷的作用而向中轴位置弯曲, 导致两侧的胞壁也会存在较大的应变量。

图5为蜂窝结构复合材料蒙皮试件拉伸变形位移云图。由图5可知, 由于蜂窝结构拉伸变形的累积效应, 使其产生远大于相同普通平板型蒙皮的变形。可见, 蜂窝结构复合材料蒙皮能够满足变体机翼蒙皮大变形的要求。

3实验研究

3. 1测试试件及测试系统

本文采用手糊成型工艺制作了蜂窝结构复合材料蒙皮拉伸试件, 蒙皮样件尺寸l为8 mm, t为0.8 mm, 样件长度L为177 mm, 拉伸区域长度L1为107 mm, 如图6及图7所示。本文使用INSTRON5566系列电子万能试验机。实验前先加持蒙皮试件, 使试件中轴线与上下夹具的对准中心线一致, 试验机的加载速度根据标准设定, 检查并调整试件及试验机系统, 测定拉伸应力时连续加载直至试样破坏, 观察拉伸变形曲线, 记录数据, 拉伸试验后试件如图7所示。

由图7可见, 蜂窝结构复合材料蒙皮试件承受拉伸载荷作用下倾斜胞壁上受拉伸变形所受应力及产生的应变最大, 因此, 在倾斜胞壁靠近三个胞壁粘接处最先受到破坏, 与仿真结果一致。

3. 2测试结果分析

由图8可知, 蜂窝结构蒙皮样件在载荷低于200 N时样件成线性拉伸状态。同时可以发现, 当拉伸载荷大于200 N时, 蜂窝样件应力集中处开始发生脱层导致试件结构开始遭到破坏。

比较仿真数据与实验数据, 分析相同载荷作用下两者之间误差的原因主要为: ①仿真模型进行的诸多简化导致计算结果误差; ②采用手糊成型制作方法存在工艺精度欠缺的问题, 导致样件性能与仿真结论存在差异。

4结论

( 1) 基于Y模型的蜂窝结构等效模型, 考虑双层蜂窝胞壁结构, 推导了蜂窝结构在Y轴方向上的拉伸变形量表达式; 分析论证了蜂窝结构拉伸变形特性远优于同材料及尺寸的面板结构的机翼蒙皮。

( 2) 通过蜂窝结构蒙皮试件的有限元仿真给出样件在试验拉伸载荷作用下的应力、应变云图, 验证蜂窝结构倾斜胞壁上的应变远大于垂直胞壁产生的应变。

( 3) 通过实验测试, 获取的蜂窝结构复合材料蒙皮试件脱层位置与仿真结论一致; 获取试件位移- 载荷曲线与拉伸变形仿真数据一致。

摘要：对一种蜂窝结构柔性蒙皮进行了研究, 基于Y模型分析了蜂窝结构拉伸变形力学特性。通过MSC.Patran/Nastran有限元仿真获得拉伸变形时蜂窝胞壁应力及应变分布。制备了层合板复合材料蜂窝结构蒙皮试件, 进行了拉伸实验。结果表明:蒙皮试件倾斜胞壁靠近三个胞壁粘接处最先受到破坏, 脱层位置与仿真结论一致, 验证了所建立仿真模型的有效性。

关键词：柔性蒙皮,蜂窝结构,复合材料,有限元仿真

参考文献

[1] Rodriguez A R.Morphing aircraft technology survey.AIAA 2007—1258, 2007

[2] 杨智春, 解江.自适应记忆技术的分类和实现途径.飞行力学, 2008;26 (5) :1—4

[3] 张音旋, 邱涛, 王健志.一种柔性蒙皮设计技术及其在后缘变弯度结构中的应用.航空科学技术, 2012;5:26—28

[4] Bartley-Cho J D, Wang D P, Martin C A, et al.Development of highrate, adaptive trailing edge control surface for the smart wing phase 2wind tunnel model.Intelligent Material System and Structures, 2004;15:279

[5] Kai Yu, Wei longyin, Sun S H, et al.Design and analysis of morphing wing based on SMP composite.Proc of SPIE, 7290.USA:SPIE, 2009;72900S:1—8

[6] 周春华, 王帮峰, 刘曌, 等.波纹型复合材料蒙皮拉伸变形特性研究与仿真分析.科学技术与工程, 2011;11 (32) :7989—7903

[7] 彭海峰.柔顺蜂窝蒙皮结构设计及研究.合肥:中国科学技术大学, 2011

[8] 赵金森.铝蜂窝夹层板力学性能等效模型研究.南京:南京航空航天大学, 2006

[9] 胡玉琴.铝蜂窝夹层板等效模型研究及数值分析.南京:南京航空航天大学, 2008

[10] 富明慧, 尹久仁.蜂窝芯层的等效弹性参数.力学学报, 1999;31 (1) :113—118

蜂窝结构材料用国产芳纶纸性能分析 第2篇

蜂窝结构材料用国产芳纶纸性能分析

介绍了芳纶纸蜂窝的`特点和应用现状,简述了我国YT822型蜂窝结构材料用芳纶纸的性能,对比研究了国内产品与国外同类产品的性能差异.实验结果表明,YT822型芳纶纸的各项性能达到或接近进口T722芳纶纸的性能,国内生产的芳纶纸与酚醛树脂等材料复合制成的芳纶纸蜂窝夹芯能够满足使用要求.

作 者：黄钧铭 孙茂健 朱敏英 王思源 王典新 HUANG Jun-ming SUN Mao-jian ZHU Min-ying WANG Si-yuan WANG Dian-xin 作者单位：烟台氨纶集团有限公司,山东,烟台,264006刊 名：高科技纤维与应用英文刊名：HI-TECH FIBER & APPLICATION年，卷(期)：200833(6)分类号：V214.6 V254.1 TS761.2关键词：芳纶纸 纸蜂窝结构材料 性能 分析

蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展 第3篇

蜂窝夹层结构复合材料在使用方面具有很好的性能, 其具有比较好的强度, 同时, 抗冲击性能很好, 在使用方面能够进行很好的设计, 因此, 在目前得到了非常广泛的应用, 尤其在航空航天领域。蜂窝夹层结构的性能优越性使其成为了很多领域中无法替代的结构材料。早期的蜂窝夹层结构复合材料的芯材都是金属芯材, 但是, 随着科技的不断发展, 在芯材方面发生了很大的改变, 发展成为了纤维性很强的树脂蜂窝。目前, 蜂窝夹层结构复合材料是出现了很多种, 其中, 玻璃钢夹层结构复合材料在应用范围和研究方面是发展最好的。很多的研究人员对玻璃钢夹层结构复合材料的性能进行了更好的研究, 而且比较深入, 对其在力学、隔音、隔热、以及抗冲击性能方面都做了比较好的分析。蜂窝夹层结构复合材料的性能主要由蜂窝芯的材料性能决定, 蜂窝芯材的高度、材质、密度以及形状都对蜂窝夹层结构复合材料的性能有很大影响。研究人员对蜂窝夹层结构复合材料做了大量的研究, 对其以后的应用和发展非常有利。

1 铝蜂窝夹层结构

铝蜂窝芯材只要利用铝箔来实现不同方式的胶接, 然后通过拉伸形成不同规格的蜂窝, 芯材的性能和铝箔的厚度以及孔格的大小有直接关系, 铝蜂窝芯材能够和不同蒙皮材料进行复合, 这样就形成了铝蜂窝夹层结构复合材料。铝蜂窝夹层结构复合材料具有加高的力学性能, 而且, 在制造成本方面比较低。但是, 铝蜂窝夹层结构复合材料在一些特定的环境中比较容易受到腐蚀, 在受到冲击以后, 铝蜂窝芯材会出现永久变形的情况, 会导致蜂窝芯材和蒙皮发生分离的问题, 导致材料的性能降低。

一些研究人员对胶接工艺对铝蜂窝夹层结构复合材料的影响进行了研究, 主要从胶接剂的筛选、表面处理方法和固化工艺方面进行了论述, 使用流动性比较好的胶膜, 在表面处理方面采用磷酸阳极化处理方式, 同时, 在夹层结构方面通过对剪切强度进行对比, 能够实现最佳的固化工艺。铝蜂窝夹层结构在粘结成型方面大面积批量生产面临着非常大的问题, 因此, 对面板进行磷酸阳极化处理非常必要, 这样能够对粘结的效果进行保证。在固化过程中, 可以对铝蜂窝夹层结构复合材料进行真空袋加压, 这样铝蜂窝夹层结构复合材料的性能更好。

对铝蜂窝芯在压缩荷载作用下的荷载位移曲线特征进行研究, 同时对在静态下的压缩荷载作用下的铝蜂窝变形特征进行掌握, 可以从三个方向对铝蜂窝进行准静态压缩, 由于材料的不同, 会导致蜂窝芯出现不断的致密化, 可以将不同方向的荷载位移曲线分为弹性区域、平缓区域和加速加强区域。在轴向压缩过程中, 试样在荷载最大值位置会出现失稳的情况, 在失稳情况下, 位移曲线会出现一些小的峰, 这个过程铝蜂窝芯出现了逐步折叠失稳的情况。一些研究人员利用数值模拟的方法对不停密度铝蜂窝芯在压缩荷载作用线出现的失效过程进行了模拟, 对结构失稳以及破坏的不同特征进行了总结, 利用数值模拟所得到的蜂窝失稳分岔宏观应力和实验室所得的宏观极限应力吻合。

对三种不同蒙皮厚度的铝蜂窝蜂窝层和聚乙烯泡沫层进行分开试验, 对比试窝夹层的结构试样能够进行弯曲疲劳试验, 通过试验可以得到, 铝蜂窝能够吸收加高的冲击能量, 但是, 其厚度会对疲劳性能带来一定的影响。对铝蜂窝芯和聚乙烯泡沫层施加同样的弯曲荷载, 疲劳寿命和蒙皮厚度对材料的性能进行影响不是十分明显, 出现的失效模式是蜂窝和蒙皮之间的界面脱粘。对有效元模拟试样的界面应力进行分析, 能够对界面剥离的初始位置进行预测。

2 铝蜂窝夹层结构复合材料的应用

赵宏杰等人从蜂窝芯高度、蒙皮厚度和蜂窝芯增重三个方面对Nomex蜂窝夹层结构复合材料的吸波性能进行了研究, 研究发现:夹层结构复合材料反射率在-10d B以下的有效带宽随着蜂窝芯高度的增加逐渐向低频扩展;18mm高的蜂窝芯随着蒙皮厚度的增加, 其吸收峰频率向低频移动, 且在2~18GHz频段的反射率均保持在-10d B以下;随着黏附吸收剂质量的增加, 蜂窝夹层复合材料的吸收峰频率向低频移动。

通过曲面响应法表征了材料结构对损伤容限和剩余强度的影响。研究从蒙皮数量、蜂窝芯密度、芯材厚度出发, 对冲击后材料的损伤演化以及剩余强度进行了探讨:芯材厚度以及蒙皮的铺层方向对损伤演化和剩余强度影响最大;提高蜂窝芯的厚度和增加碳/环氧织物层的数量可以提高剩余强度。损伤容限和剩余强度模型可以指导我们更好的了解夹层结构复合材料冲击损伤后的力学性能, 从而提高其设计性和扩展其应用。

通过对用于月球探测器缓冲机械的正六边形铝蜂窝缓冲材料进行了模拟着陆冲击试验, 研究了不同着陆条件对其缓冲性能的影响。研究表明:对铝蜂窝缓冲机构施加相应的预紧力可以有效提高铝蜂窝材料的缓冲性能;铝蜂窝材料的缓冲效率随着探测器在月球表面着陆速度的提高而降低, 在探测器多级铝蜂窝缓冲装置中, 一级缓冲器设计对探测器能否实现软着陆至关重要。

通过从蜂窝芯壁厚、蜂窝孔格边长、蜂窝芯高度、夹层结构面板厚度以及阻尼涂层等方面对镁合金蜂窝的隔声性能进行了研究。结果表明:隔音量随着频率的增加而增大;蜂窝芯的空腔越大, 隔音效果越显著, 增加阻尼层和阻尼涂料能显著提高隔音量。所研制的镁合金蜂窝可考虑不同的结构参数应用于现行动车组列车的内部结构中。

3 结束语

蜂窝夹层结构复合材料在应用方面具有很好的前景, 尤其在战斗机、直升机、卫星以及赛艇方面, 对蜂窝夹层结构复合材料的各方面使用性能进行研究, 能够更好的完善其性能。现在, 国内外对铝蜂窝夹层结构复合材料的应用研究非常广泛, 在研究方向方面主要集中在力学性能、制造工艺、耐老化性能方面, 对于隔音、隔热以及失效机理方面的研究还没有很多人涉及, 因此, 在进行研究的时候, 可以利用计算机模拟软件对这方面进行研究。再进行模拟的时候是会和蜂窝夹层结构的实际使用情况有一定的差异, 因此, 对蜂窝夹层与泡沫夹层结构的隔音和隔热性能进行对比, 可以在以后的研究重点上提出以下建议。在借助数学方法和计算机方法模拟对蜂窝夹层结构复合材料进行研究的时候, 可以对实际的使用条件进行考虑, 这样能够将理论计算和实际情况进行更紧密的结合。对蜂窝夹层结构的复合材料构件实际使用情况进行研究, 能够在隔音和隔热方面取得更好的研究成果, 将蜂窝夹层和泡沫夹层结构材料的对比研究作为重点, 在隔热和隔音性能方面能够取得更好的优势。在微观方面, 可以对蜂窝夹层结构复合材料在受到冲击和压缩荷载作用下的失效机理进行研究, 在应用发展方面能够获得更好的效果。

参考文献

[1]王兴业, 杨孚标, 曾竞成, 等.夹层结构复合材料设计原理及其应用[M].北京:化学工业出版社, 2007:4-8.

[2]张广平, 戴干策.复合材料蜂窝夹芯板及其应用[J].纤维复合材料, 2000, 25 (2) :25-27.

[3]沃丁柱.复合材料大全[M].北京:化学工业出版社, 2000.

马蜂窝 第4篇

几个月后，爷爷和爸爸又要去打野鸭子。这次他们却说什么也不带我了，说怕我再被马蜂蜇到。不过，在我的不断恳求下，他们还是同意了。

我们再次来到湖前的那个小村子，跟上一次一样，爷爷和爸爸去找船，他们走前再三叮嘱我，不要被那几个小子骗了。我闲逛在街上，希望不要见到那几个孩子。可当我转个弯儿走进一条小巷时，却看见淡黄色头发的小孩儿正在和一大帮我不认识的小孩儿玩儿。他看见了我，就立刻停下了手中的动作，脸上露出了尴尬的表情，不好意思地挠着头说：“真对不起，上次害你被马蜂蜇了，你怎么样了?”“没事儿，”我爽朗地说，“你们在玩什么?”“我们正在做武器，准备玩打仗呢!你要参加吗?”他很高兴地回答我。“没问题!”于是我们开心地一起玩儿了起来……直到我要走了，我们才互相依依不舍的道别。

其实我明白了，这些孩子并不是坏的，他们的淘气有时只是一时冲动。只要好好相处，也会成为好朋友!

蜂窝结构 第5篇

关键词：蜂窝结构,真空钎焊

1 引言

早在上世纪90年代初, 美国航天领域的科学家在研究航天飞机液体燃料涡轮泵的密封问题时, 通过试验发现蜂窝形状的密封结构可产生很好的封严效果。于是, 蜂窝式密封开始在航天飞机、飞机发动机及燃气轮机上得到推广应用。所谓蜂窝结构是将正六边形的蜂窝孔规则排列的蜂窝芯钎焊于密封环内表面的组件, 蜂窝的规格 (六边形对边距离) 有0.8mm、1.6mm、2.5mm等, 蜂窝条带 (六边形边) 厚度为0.05mm、0.076mm、0.1mm等。蜂窝封严结构主要用于轴端密封、级间密封、叶顶密封、透平压缩机密封和鼓风机中的密封等, 具有显著降低密封的泄漏量、有效抑制密封流体激振和有效减振去湿等特点, 因此在航空发动机中和燃气轮机中为优选的封严结构。

在重型燃机上, 为实现燃气的有效使用, 减小损失, 提高燃机的工作效率, 在静止组件与旋转组件之间的气体封严广泛采用蜂窝封严结构。该结构的特点是允许转动部件与静止部件之间存在一定程度的相互干涉和摩擦, 而不致损伤转动部件, 具有较好的可磨蚀性, 同时还具有抗冷热疲劳性能和高的热强性。在重型燃机上有30余封严组件采用蜂窝结构, 封严组件中既有扇形段蜂窝封严件, 也有叶片缘板蜂窝封严件, 蜂窝的规格有0.8mm和1.6mm两种, 蜂窝芯与壳体之间的连接采用真空钎焊工艺。本项目针对重型燃机上的蜂窝结构开展了真空钎焊工艺研究工作。

2 试验

2.1 材料

2.1.1 试验用材料

试验所用试样材料为1Cr18Ni9Ti、GH4708、GH536和K4104合金, 试验所用钎料为B-Ni73CrSiB-40Ni-S (ВПр11-40Н) , 为粉末状钎焊料, 粒度为-140目。

2.1.2 试样结构

拉伸试样的尺寸为Φ13×33, 两个试棒对接, 试棒结构如图1所示, 在对接处放置B-Ni73CrSiB-40Ni-S (ВПр11-40Н) 钎料。

剪切试样的尺寸为95×40×2.0 (高温) , 45×25×2 (室温) , 两个试片搭接并用储能点焊定位, 试片结构如图2所示, 在搭接处的一侧放置B-Ni73CrSiB-40Ni-S (ВПр11-40Н) 钎料。

蜂窝结构试样是将GH536蜂窝钎焊到GH4708、GH536和1Cr18Ni9Ti试片上。

2.2 设备

钎焊试验是在VEQ5654-6真空钎焊炉中进行的, 该设备的最高工作温度为1250℃, 热态真空压力低于3×10-4乇, 漏气率≤2.0Pa/h。

2.3 工艺

2.3.1 钎焊工艺参数

钎焊试验采用的工艺参数为:以10℃/min的速度升温至550℃, 保温15min, 再以7℃/min的速度升温至1000℃, 保温20min, 最后以5℃/min的速度升温至1100℃, 保温10min钎焊, 焊后随炉冷却至1000℃后进行快冷, 冷却到100℃以下试样出炉, 钎焊过程中真空压力低于4×10-2Pa (充氩快冷时除外) 。

蜂窝结构试样的钎焊工艺程序是将B-Ni73CrSiB-40Ni-S钎料用特殊粘结剂制成粘带状, 粘带厚度为0.4～0.6mm, 将粘带钎料压入蜂窝芯格中, 采用储能点焊把蜂窝与试片定位在一起, 对装配后的试样进行烘干 (140℃±10℃, 1h) , 然后将蜂窝结构试样放入真空钎焊炉中进行钎焊, 钎焊参数同上。

2.3.2 钎焊后加工

试样钎焊后, 将钎焊接头的拉伸和剪切试样加工成标准性能试样, 进行接头的性能测试。蜂窝结构试样采用线切割的方法进行剖切, 并进行金相检查, 检查蜂窝结构的内部钎焊情况。

2.4 结果

试样钎焊后, 将钎焊接头的拉伸和剪切试样加工成标准性能试样, 进行接头的性能测试。

3 结果讨论与分析

钎焊接头的拉伸和剪切性能测试结果看, 1Cr18Ni9Ti与GH536的钎焊接头, 室温、500℃、700℃时钎焊接头的拉伸强度 (σb) 分别为319MPa、294 MPa、277 MPa, 1Cr18Ni9Ti材料室温和700℃时的拉伸强度σb≥540MPa和σb=284MPa, 则1Cr18Ni9Ti与GH536的钎焊接头的强度系数约为59%和97%;GH4708与GH536的钎焊接头, 室温、500℃、700℃时钎焊接头的拉伸强度 (σb) 分别为345mPa、295 mPa、225 mPa, GH536材料室温和700℃时的拉伸强度σb≥725mPa和σb=435mPa, GH4708与GH536的钎焊接头的接头强度系数约为48%和52%;K4104与GH536的钎焊接头, 室温、500℃、700℃时钎焊接头的拉伸强度 (σb) 分别为437mPa、347 mPa、340mPa, 与GH536材料室温和700℃时的强度相比, K4708与GH536的钎焊接头的接头强度系数约为60%和78%。由上述分析结果看, 不同材料组合的钎焊接头强度系数有所不同, 主要是由于各种材料本身的强度不同造成的, 但在同一温度下, 各种材料组合的钎焊接头均有较好的强度, 同时1Cr18Ni9Ti与GH536、GH4708与GH536的钎焊接头在室温、500℃、700℃时也具有较好的剪切强度。

从金相照片上看, 蜂窝与试片的焊接质量很好, 钎料润湿试片并填充钎焊间隙, 蜂窝条带厚度没有减薄, 说明钎料B-Ni73CrSiB-40Ni-S (ВПр11-40Н) 在确定的工艺参数下对GH536合金没有溶蚀倾向, 能够满足蜂窝结构的钎焊要求。

结论

4.1用B-Ni73CrSiB-40Ni-S (ВПр11-40Н) 钎料钎焊 (1Cr18Ni9Ti、GH536、GH4708) 与GH536合金, 其钎焊接头室温和高温下具有较好的瞬时抗拉强度和抗剪强度, 在确定的钎焊工艺参数下, 钎料对GH536蜂窝材料无溶蚀倾向。

4.2 采用确定的钎焊工艺程序, 能够钎焊出满足使用要求的蜂窝结构零件

参考文献

[1]张启运, 庄鸿寿.钎焊手册.[M]北京:机械工业出版社, 2008 (09) .

蜂窝结构 第6篇

无线移动通信的巨大成功反映了技术创新的快速进步。从1991年的2G系统率先发布,到2001年第三代(3G)移动通信系统的率先推出,无线移动网络已经从单纯的电话系统转换成可以传输丰富的多媒体内容的网络。4G无线系统的设计是为满足IMT-A使用IP提供所有服务的要求[1]。在4G无线通信系统中,许多先进的无线电接口技术得到应用,如正交频分复用(OFDM),多输入多输出(MIMO)和链路自适应技术。在低移动性下4G无线网络可以支持高达1Gbit/s的数据传输速率,如漫游/ 本地无线接入,以及高流动性条件下高达100Mbit/s的数据传输速率。LTE系统以及增强的LTE-A系统作为实际4G系统,已经或即将在世界各地的部署。然而,每年仍然有很多新增手机移动宽带用户。越来越多的人渴望在移动中有更快的互联网接入和时髦的移动设备。具有先进的即时通讯和多媒体功能,更强大的智能手机和笔记本电脑正成为时下比较流行的。这导致了无线移动设备和服务的激增。据无线世界研究论坛(WWRF)预测,在2017 年有7 万亿的无线设备将服务于70 亿人,即,连接网络的无线设备的数量将达到世界人口的1 000 倍[2]。随着越来越多的设备链接到无线网络,需要解决许多研究方面的挑战。

最重要的挑战之一是,为蜂窝通信分配稀缺的无线频谱资源。蜂窝手机频率使用超高频频段,通常范围从几兆赫到几吉赫兹。然而运营商使用这些频谱资源越来越困难。另一个挑战是,先进的无线技术的商用造成高能量消耗[5]。事实上,在4G无线系统的初始阶段节能高效的通信并不是被解决的问题之一,但它是在后一阶段的问题。其他挑战,例如,平均频谱效率,高数据率和高流动性,无缝覆盖,不同的服务质量(Qo S)要求,和分散的用户体验(不同的无线设备/ 接口和异构的网络不兼容)。

运营商面对的是不断增加的更高的数据率,更大的网络容量,更高频谱效率,更高的能源效率,以及新的无线应用所需更高的移动性的需求。在这个意义上,我们需要突破性的无线技术为解决上述万亿无线设备而引起的问题,研究人员已经开始研究后4G(B4G) 或5G无线技术。在这篇文章中,我们提出了一个富有前景的5G蜂窝结构以及探讨可以满足5G部署要求的一些有前途的技术。

1 5G无线通信网络的蜂窝结构

为了解决上述挑战和满足5g系统的要求,我们需要在蜂窝结构的设计上作一个重大的变化。我们知道无线用户百分之八十的时间呆室内,而只有大约百分之二十的时间呆在户外[8]。无论用户呆在室内或室外,当前的传统的小区结构通常是一个室外基站在移动通信小区的中间。室内与室外基站通信的用户信号穿过建筑物的墙壁,这会导致非常高的穿透损耗,大大损害了数据速率,频谱效率,以及无线传输的能量效率。

5G蜂窝结构设计的关键思想是分室外和室内场景的,目的是避免建筑物墙壁的渗透损失。在分布式天线系统(DAS)和大规模MIMO技术的辅助下[7],在一个基站上部署数十或数百个分布式天线阵列。目前的MIMO系统利用两到四根天线,大规模的MIMO系统的目标是利用大量的天线阵列来获得更大的潜在的容量增益。室外基站将配备大量的分布在小区内的天线阵列( 大型天线阵列) 并通过光纤连接到BS,受益于DAS和大规模MIMO技术。室外移动用户通常配备的天线元件的数量有限,但它们可以相互合作形成一个虚拟的大型阵列天线,其中与BS的天线阵列的构建虚拟海量的MIMO链路。在每个建筑的外部与室外基站或BS分布式天线阵列将被安装。大型天线阵列通过电缆连接到无线接入点与大楼内的室内用户通信。这在短期内肯定会增加基础设施的成本,然而长期运行的情况下,显著提高小区的平均吞吐量,频谱效率,能源效率和小区系统的数据速率。

5G的小区结构应该与宏蜂窝, 微蜂窝技术, 微小区,和中继进行异构。为了适应如用户在车辆和高速列车高移动性用户,我们已经提出了移动毫微微蜂窝基站(mfemtocell)的概念[10],这个概念是基于移动中继和mfemtocell。mfemtocells位于车辆内是与车辆内的用户通信的,而大型天线阵列位于车辆外部并与室外BSs进行通信。一个mfemtocell及其相关的用户被BS视为一个单一的单元。从用户的角度来看,一个mfemtocell看成是一个普通的BS。这与上述室内(车内)和室外场景分离的思想非常相似。它已被证明在[10],用户使用mfemtocells可以减少信令开销享受高数据速率服务。上述5G异构蜂窝体系结构如图1。

2 5G关键技术

这一部分,是基于上述提出的异构蜂窝结构,我们讨论一些有前景的关键无线技术,这些关键技术可以实现5G无线网络的性能要求。这些技术可以极大地增加系统容量并且可以提高5G所有资源的利用率。基于著名的香农理论,系统总容量的Csum可以近似表示

其中, Bi是第i个信道带宽, Pi是第i个信道的信号功率,Np表示噪声功率。公式(1)表明系统总容量Csum等价于所有子信道和异构网络的容量总和。为了增加Csum,我们可以增加网络的覆盖范围(如宏蜂窝,微蜂窝,小蜂窝,中继,移动飞蜂窝[10]等异构网络),子信道的数量(如大规模MIMO[7],空间调制SM[11],协作式MIMO,分布式天线系统DAS,干扰管理等),带宽(如认知无线电CR网络[9],毫米波通信,可见光通信VLC[8],多重标准系统等),和功率(能量效率或绿色通信)在下文,我们关注一些关键技术。

2.1 大规模MIMO

MIMO系统在发射器和接收器之间有多个天线组成。通过添加多个天线和更大的自由度可以使无线信道能够容纳更多的信息数据。因此,在可靠性方面,频谱效率,能源效率性能得到显著改善。在大规模的MIMO系统中,发射机或接收机配备了大量的天线元件(一般为几十甚至数百个)。同时,一个设备或者分布的许多设备拥有大量的接收天线。除了继承传统的MIMO系统的好处外,一个大规模MIMO系统还可以显著提高频谱效率和能源效率[9]。此外,在大规模的MIMO系统中,噪声的影响和快衰落消失了,并且使用简单的线性预编码和检测方法可以减轻小区内干扰。在大规模MIMO系统中,通过合理地利用多用户MIMO(MU-MIMO),可以简化MAC层的调度算法设计[14]。在多用户MIMO系统中,BS发送单个的信号到使用相同的时频资源的个人用户。因此,本文讲述的大规模MIMO系统的优势,能够使大规模MIMO成为5G网络的候选方案[11]。

2.2 空间调制

空间调制是Haas等人首先提出来的,是一种新的MIMO技术,在不降低MIMO系统的系统性能的情况下降低了实现的复杂度[11]。而同时利用可用的天线发送多个数据流,数据的SM编码部分,被发送到每个阵列天线的发射天线的空间位置。因此,阵列天线起到第二星座图的作用(除了一般的信号星座图)就是所谓的空间星座图,相对于单天线无线系统,可以提高数据速率(空间复用)。在任何时间只有一个发射天线是激活的,而其他的天线是空闲的。一个信息比特块被分成两个子块log2(NB)bits和log2(M) bits,NB和M分别是发射天线的数目和复杂信号星座图的大小。第一子块标识发射天线集中的有源天线,而第二子块则是从信号星座图中选择符号并从有源天线发射出去。因此,SM是一个组合的空间相移键控(SSK)和振幅/ 相位调制。图2 显示一个例子,4 个发射天线(NB=4)的SM星座图有和正交相移键控(QPSK)调制(M=4)的空间坐标图。接收器可以使用最大似然(ML)检测解码接收的信号。

空间调制可以减轻传统的MIMO系统的三大问题:信道间干扰,天线间的同步,和多个RF链[11]。此外,在SM系统甚至非均衡的MIMO系统中,可以设计低复杂度的接收机和配置任意数量的发射和接受天线。我们必须指出传统的MIMO系统的SM的复用增益是与发送天线数的对数成线性关系的。因此,牺牲一定的自由度为代价降低实现复杂度。大多数SM研究集中在一个单一接收机的情况下(即,单用户SM)。多用户SM在5G无线通信系统中可以被视为一个新的研究方向[9]。

2.3 认知无线电网络

CR网络是一个创新的软件无线电技术,被认为是一个有前景的能够改善拥挤的RF频谱[9]。采用CR可以使无线电频谱在大部分时间内得到充分利用。在CR网络中,或是在一个无干扰的基带上或干扰容忍限度内一个二级系统和授权主系统共享频段[7]。CR网络感知周围的无线电环境并相应调节其传输功率。在无干扰CR网络中,CR用户可以利用授权用户没有使用的频谱资源。为了使无干扰的CR网络检测空白的频谱(空格),关键是展开宽带频谱。CR接收机首先应该监控和分配未使用的频谱(或结合随着地理数据库)和把信息反馈给CR发射机。协调机制是多个CR网络尝试访问相同的匹配的频谱时,防止用户发生碰撞。在容错干扰CR网络中,CR用户可以与授权系统共享频谱资源,并且使干扰保持低于干扰门限值。在与无干扰的CR网络的比较,耐干扰CR网络可以与授权用户共享无线电频谱资源,提高频谱利用率,以及更好的光谱和能源效率。然而事实证明CR系统的性能会对用户密度,干扰阈值,并授权系统的传输的微小变化非常敏感。在文献[13] 中,在蜂窝网络中增加混合CR网络,可以使用额外的带宽和拓展蜂窝网络的容量。

2.4 移动基站

MFemtocell是近年来提出的一个新概念, 是下一代智能交通系统的一个潜在的候选技术[10]。它结合了毫微微蜂窝技术和移动中继的概念(移动网络)。一个MFemtocell是一个小的小区,可以左右移动和动态改变其连接到运营商的核心网络。它可以部署在公共交通巴士,火车,甚至私家车,提高车内用户的服务质量。部署MFemtocell可使蜂窝网络受益。首先,MFemtocell可以提高整个网络的频谱效率。其次,MFemtocell可以有助于减少信令网络的开销。例如,一个MFemtocell可以对所有相关的用户代表进行切换,从而减少在MFemtocell下的用户切换活动。这使得MFemtocell适合部署在高速移动环境下。此外,在MFemtocell中用户能耗可降低是由于较短的通信范围和低的信令开销[6]。

2.5 可见光通信

可见光通信可以使用固态照明(SSL)发光二极管(LED)作为信号发射器和本征-n(PIN)光电二极管(PD)和雪崩光电二极管(APD)作为信号接收器[8]。这意味着,VLC使系统能够照明并且同时提供宽带无线数据连接。如果上行不希望有照明,红外(IR)LED或者射频是可行的解决方案。在VLC系统中,信息是通过光的强度(功率)携带信息的。射频通信使用合成的双极性信号的传统数字调制方案。因此,有必要修改调制方案,我们有丰富的多载波调制技术改进经验,如高密度OFDM(IM)调制和直接检测(DD)。已经被验证一个单一的LED可以提供3.5GBit/s的数据速率。必须指出,VLC不受快衰落的影响,并且波长比探测器面积明显缩小。而链路级实验证明VLC有助于减轻射频通信的频谱瓶颈的一种可行的技术方案,可以利用现有成熟的照明设施部署无线光网络是可能的。这包括MU接入,干扰协调和其他的一些技术。小小区有助于提高网络的频谱效率,然而,主要的限制因素是干扰。由于光波不穿透墙壁光attocells较少受到干扰。

2.6 绿色通信

5G无线系统的设计应考虑最大限度地减少能量消耗,实现更加绿色的无线通信系统[5]。世界各地的无线系统运营商都希望减少能源的消耗,从而有助于减少二氧化碳排放量。室内通信技术对于获得更好的能源效率是非常有前途的部署方案。这是因为从发射机到接收机之间有更好的信道环境。此外,通过分离室外流量和室内流量,将会降低宏蜂窝基站无线资源分配的压力和降低传输功率低,因此可以显著减少能源消耗。VLC和毫米波技术也可以被认为是高效节能的无线通信解决方案,可以部署在5G无线系统中。例如,在VLC系统的一个灯泡消耗的能量比其基于RF的等价传送相同的高密度数据消耗的能量少很多[3]。

3 小结

在这篇文章中,已在容量、频谱效率、能源效率、数据速率和小区平均吞吐量方面明确5G无线通信系统的性能要求。提出一个新的异构5G蜂窝结构,分为的室内应用和室外应用,可使用DAS和大规模MIMO技术。一些短距离通信技术,如Wi Fi,femtocell,VLC,和mmwave通信技术,可以被看作是有希望的候选技术能够提供高质量和高速率服务给室内用户,同时减少对室外基站的压力。我们还讨论了一些潜在的关键技术,可以在5G无线系统施展,满足预期的性能要求,如CR网络,SM,MFemtocel s,VLC,和绿色通信,以及一些技术上的挑战。

摘要：随着无线移动设备数量和服务的激增,无线系统设计师一直面临不断增的长高数据率和新无线应用的移动性的需求。因此已经开始研究5G无线通信系统,预计将在2020年后部署。在这篇文章中,我们提出了一个室内场景和室外场景分离的小区结构,并讨论5G无线通信系统中各种富有前景的新技术,例如大规模的MIMO,节能的通信,认知无线电网络,以及可见光的通信。面对这些未来的挑战,我们讨论了一些潜在的技术。

蜂窝结构 第7篇

移动通信系统中的资源是有限的,且所有物理信道是共享的,它必须占用一定的时间、频率、功率和空间。移动通信分为三种类型即频分多址、时分多址和码分多址。频分多址主要以不同的频率划分不同的信道;时分多址是在频率分开的同时又在时间上划分出许多信道;码分多址的本质是许多信道共享功率资源,而区分这些信道的是伪随机码,它其实就是自干扰系统。其中频率资源或称频谱资源是十分珍贵的,一般来说,我们只能在固定的频谱资源上挖掘潜力,频谱资源是十分有限的。

为解决频率资源不足,人们在改善用户容量问题上大费脑筋。比如在接收发射天线上作出重大技术修改,但艰苦的努力却不能让用户容量扩大多少。早期移动通信系统使用安装在高塔上的.单个的大功率发射机而获得一个大面积覆盖范围。此时复用频率将导致干扰。对每个系统使用单个大功率发射机和高塔。在覆盖区域内,将无线电频率分成若干带宽,每个电话占几个基带带宽;我们在带宽固定的情况下,只有用技术设法降低每个语音的频带带宽,来提高用户数。这种技术效率是很低的。

无线电波的传播和地形地物密切相关,小区的划分应根据环境和地形条件而定,为研究方便,假定服务区地形地物相同,各基站采用全向天线,其覆盖面积大体上是个圆,也就是说无线小区是圆形的,再考虑到多个小区彼此相邻来覆盖整个区域时,用圆的内接正多边形来近似替代圆形,将是符合实际的,由于正多边形彼此连接构成平面时,只有三种情况:即三角形、正方形和六边形。这三种图形中,正六边形与圆的接近程度最好,而且用正六边形彼此连接填满整个服务区所需个数最少。也就是说,在其他条件都相同时,按六边形划分区域最经济适用。在系统设计小区时都采用正六边形,也就是蜂窝网状结构。

采用信道频率复用技术形成蜂窝状移动电话系统,这时一种全新而又有效的系统,对于一个单机站系统可以用增加信道数的办法来扩大系统的业务量。其容量极限值取决于可用信道的总数;蜂窝状系统可以依靠在在同一业务区多次重复使用频道组的方法来扩大系统的业务量。该结构的特点为减少基站覆盖区的同时,用大量的无线基站覆盖原来一个基站所覆盖的区域。不同小区使用不同的信道组。频率资源是有限的,频率的复用与单机站系统相比较,容量大大增加。

我们借鉴蜂窝的概念,用多个小功率的发射天线来替代大功率的发射天线,也就是把原来单个发射天线所覆盖范围,划分成多个小的单元,每个小单元使用小功率发射天线,每个小发射天线复用频带的一部分。

蜂窝技术以多个小型天线代替单个大型天线,系统结构开销成数倍增长。

当服务需求增长,基站数目可能会增加,也就是小型发射天线增加(同时为避免增加干扰,发射天线功率应减小),从而其容量也相应增加,但并没有增加额外的频率。

蜂窝系统在整个覆盖范围内进行智能分配和复用,各小区是对称分布。

我们用正六边形分析蜂窝系统,因为用正六边形从数学上分析起来比较简单,覆盖整个区域时无重叠无间隙(与圆形比较而言)正六边形最接近于圆形的天线覆盖模式(与正方形、等边三角形比较而言),正六边形可用最少的小区数覆盖整个区域。

下图图解了蜂窝系统的频率复用思想。图中相同字母的小区代表使用相同频率,它们之间保留一定距离,这样做可以大大降低干扰。注意:一般来说,中心激励小区适用于全向天线,而顶点激励小区适用于扇形天线。

上图中频率复用系数为7。

还有频率复用系数为3的情况如下:

频率复用系数为4则如下:

频率复用系数为12则如下:

或者

频率复用系数为19则如下:

看看这些频率复用系数(以N表示),有一个规律,都满足:N=i2+i*j+j2(i,j为非零整数)

为什么频率复用系数都有这样的规律呢?

先看n=7和N=19其规律如下:N=1+3*n*(n+1)(a)

此时对应i,j不相等的情况,我们可以看出其规律为:j=i+1

即i2+i*j+j2=i2+i*(i+1)+(i+1)2=1+3*i*(i+1)与(a)相同

当i,j相同,i2+i*j+j2=3i2

当频率资源较少时,还可以用正方形分析频率复用方案。

我国第一代蜂窝移动通信网(TACS网)早已进入了发展的稳定成熟期,频谱利用率不高、保密性能不强的TACS网必然会被抗干扰能力强、频谱利用率高、功能齐全的数字蜂窝移动通信网(GSM网)所替代。频谱资源的不足是目前GSM网发展面临的最大难题,当前最值得深入研究的课题是如何在GSM网发展的初期,使TACS网平稳地退频给GSM网使用(在不影响TACS网的容量和质量的前提下)。模拟移动通信网的频率复用状况是早期的移动通信系统多采用大区制,只能提供有限的无线信道(频谱资源有限),其系统的容量自然有限。蜂窝理论的出现使频率复用的概念得到实际应用。频率复用使得在相隔一定距离的基站,能重复使用相同的频率,其频谱的利用率大大提高,系统的容量也得以提高。将若干个基站(例如4个基站或7个基站)组成一簇是标准的频率复用方式,采用全向天线或定向天线的基站天线,能满足同频干扰保护比,能一个簇一个簇地配置频率,从而实现频率的多次复用。然后,通过改善设备的功能和天线性能,基站又可进一步分裂为1~3个小区,频率的复用次数得以进一步提高,系统的容量也得以提高。

如何解决小区间的干扰是蜂窝通信系统必须面对的问题。频谱资源是有限和珍贵的,提高频谱效率是所有频率复用方案首先必须面对和解决的。为了最大限度的利用极其匮乏的频谱资源,蜂窝小区的组网模式必须仔细斟酌;如何既避免邻小区强烈干扰造成小区边缘用户性能急剧下降,又有效的提高系统的频谱效率,是蜂窝系统结构避免不了的问题。

2 软频率复用方案

在B3G/4G新一代移动通信系统中,作为主流传输技术的OFDM(正交频分复用)技术较好的解决了小区内干扰的问题,但对小区间的干扰尚未完全解决,致使小区间的干扰依然严重。解决小区间干扰的问题的传统方法是采用频率复用。其中复用系数越大越能抑制小区间干扰,但频谱效率相应降低。OFDM实际上是一种基于频分多址的多址技术,不具备扩频技术,小区间干扰必须达到一定要求,尤其在小区间干扰比较严重的小区边缘区域,频率复用技术面临新的挑战。对于小区边缘系统,合适的复用系数可以提升小区边缘用户的数据速率。

通过协调相邻小区来减少小区间干扰的方案有很多种。这种“协调”其实是通过在小区边缘采用频率复用的原理来实现的,也就是在小区边缘的频率复用系数采用大于1的系数,而小区中心区域的频率复用系数保持为1。在区域不同的用户,采用不同的频率复用系数,这样既能高效的应用现有频谱也能提高小区边缘用户的数据速率。比较有代表性的方案有:西门子方案、阿尔卡特方案、部分频率复用方案和软频率复用方案。

软频率复用方案:把子载波分为两种,分别为“主子载波”和“次子载波”,主子载波能被所有的小区用户使用,其主子载波是正交的,而次子载波不能被小区边缘用户使用,子载波组的区分是通过发射功率进行区分。软频率复用方案是抑制小区间干扰的有效方法,它可以降低小区间干扰,使小区边缘用户数据速率得以提高。通过调节功率比,软频率复用方案能够适应小区内用户分布的变化。在实现时结合子载波的分配可以发挥软频率复用方案给系统带来的性能。在B3G/4G移动通信系统来说,软频率复用方案是一种有效的频率复用方案。

部分频率复用方案对于整个系统来讲,系统复用因子并不是一成不变的,它随功率比的变化而变化;功率比越小,频率复用因子越大,干扰就越小,但频谱利用率越低;功率比越大,频率复用因子越小,频率利用越充分,其边缘用户受到的干扰越严重。这种系统复用因子“软”变化的部分频率复用方案情况叫软频率复用方案。

宽带无线接入系统的首选物理层技术是OFDM技术,它有着良好的抗多径干扰能力和高频谱利用率,小区间干扰是其主要干扰源,因为它可以保证小区内用户之间的正交性,可以有效避免小区内干扰。其中OFDMA蜂窝系统的频率复用因子最高可达到1,频谱利用率得以大大提高,此时蜂窝系统吞吐量最大,但小区间干扰仍很严重,尤其是在小区边缘的用户,受数据发送速率被严重限制的影响,边缘用户的通信质量显著下降。

参考文献

[1]吴树兴,张智江,张范.B3G/4G中的软频率复用方案及算法研究[J].移动通信,2007(12).

[2]啜钢,常永宇.移动通信原理与系统[M].北京:北京邮电大学出版社,2009.

蜂窝结构 第8篇

蜂窝夹层结构作为一种特殊的复合材料结构,具有高比刚度、高比强度、性能可设计等优点,在高速铁路、汽车工业中得到了广泛应用[1]。随着现代交通运输工具不断向高速化方向发展,由发动机激励和高速气流冲击造成的结构振动而引起的结构声向舱室内传入问题日益突出,舱室内的噪声控制和声学设计越来越引起研究者的重视,舱室内噪声水平已成为评价交通运输工具综合性能的重要指标。蜂窝夹层板件结构质量轻、面积大,它造成的结构声辐射正成为舱室内的主要噪声源之一[2,3],这在一定程度上制约了高速交通运输工业的发展。

由板件结构振动而引起的声辐射问题一直是相关声学领域的重要研究课题,而对舱室内结构-声耦合特性的研究是进行噪声控制和声学设计的关键。1977年,Dowell[4]建立了弹性薄板声腔系统的结构-声耦合理论模型,给出了声场与结构振动耦合问题的一般形式,并进行了实验验证。Kim等[5]发展了Dowell的理论,用阻抗和导纳方法分析了结构-声耦合问题。靳国永等[6]将板-腔耦合系统模拟成控制理论中的反馈系统和前馈系统,提出了一种新的分析结构-声耦合问题的方法。姚昊萍等[7]通过在弹性板边界施加假想的连续分布弹簧系统的方法,模拟板的不同边界条件和连续条件,分析了由2块四边弹性支承的弹性板及4块刚性板构成的封闭矩形声腔的结构-声耦合特性。

以上研究所涉及的结构都是各向同性均质薄板,其结构较为简单,结构设计参数较少。但蜂窝夹层结构设计参数较多,对腔内声学响应特性的影响也比传统的各向同性材料复杂。本文基于弹性板封闭声腔内声压和结构模态响应的矩阵表达式,提出了结构-声耦合系统的可调并联电路分析模型,对耦合固有频率进行了正确估计,在此基础上分析了夹层板结构参数对腔内声压响应的影响机理,总结了蜂窝夹层板封闭空间内低噪声设计和改进的基本规律。

1 封闭声腔结构-声耦合特性分析

1.1任意形状声腔内声压和结构模态响应

任意形状声腔内声压和结构模态响应可用下式计算[5,6]:

式中,P、V分别为腔内声压和夹层板的结构模态幅值向量;C为耦合系数矩阵;F为作用于夹层板的广义模态力向量;p为作用于弹性板上的广义腔外声压强度向量;q为声腔内的广义声源强度向量;I为单位矩阵;Za、Ys分别为未耦合的声模态阻抗矩阵和结构模态导纳矩阵;Zca、Ycs分别为耦合的声模态阻抗矩阵和耦合的结构模态导纳矩阵。

则有

式中,ωm、ωn分别为结构和声腔的第m阶、第n阶固有频率;ξm、ζn分别为结构和声压模态的第m阶、第n阶阻尼因子;c0和ρ0分别为声媒质处于平衡状态时的声速和密度;ρ为夹层板的面密度;t和h分别为面板和芯层厚度;ρf和ρc0分别为面板和蜂窝材料的密度;d和l分别为蜂窝芯格的壁厚和边长;Hn(ω)为声模态共振因子。

1.2耦合系统的电路概念分析模型

由式(1)和式(2)可以看出,耦合系统的声腔、结构响应可分为两部分[6]:前一部分(I+ZaYcs)-1Za和(I+YsZca)-1Y分别代表耦合后声腔与弹性板系统的固有特性,决定了系统的频率响应特性;后一部分(q+CYsF+CYsp)和(F+p-CTZaq)分别为耦合声腔的广义源向量和弹性板的广义力向量,代表系统的广义激励。

系统的耦合特性可以借助电路中的可调并联电路概念来进行分析。声腔和弹性板的耦合作用框图见图1和图2。图中声腔系统的广义源激励和弹性板系统的广义力激励用恒流源表示。未耦合的声模态阻抗和结构模态导纳分别用电阻表示,而耦合后的声模态阻抗和结构模态导纳分别用可调电阻表示。声腔内声压响应和夹层板响应表示为并联电阻的端电压。

从图1、图2可知,由于可调并联支路的存在,系统的固有频率和频率响应将随Ycs、Zca的变化而发生改变,其中,Ycs决定了由声腔-结构响应引起的弹性表面作用于声腔的广义源强度大小,Zca则决定了由结构-声腔响应引起的作用于夹层板的广义力的大小。并联电阻值越大,即‖Ycs‖、‖Zca‖越小,则耦合作用越弱,系统固有特性受到的影响越小;反之,并联电阻值越小,即‖Ycs‖、‖Zca‖越大,则耦合作用越强,系统固有特性受到的影响越大。

耦合声腔与夹层板系统通过图1和图2所示的电路并联作用,形成了式(1)和式(2)中的耦合项ZaYcs和YsZca,最终决定了系统的耦合程度。下面从耦合系统结构、物理参数及耦合项的角度分析整个系统的耦合程度的影响因素。如果系统参数改变使得系统的可调并联支路对并联电阻值的影响较小,即‖Za‖≈0,‖Ys‖≈0或‖Ycs‖≈0,‖Zca‖≈0,以致1/‖Ycs‖→∞或1/‖Zca‖→∞,使耦合项‖ZaYcs‖≈0,‖YsZca‖≈0,则可调并联支路可近似按断路处理,此时系统为弱耦合系统。

1.3耦合系统的固有频率

耦合后声腔和夹层板系统的固有频率可用回路总阻抗进行计算。耦合声腔的回路总阻抗为

当耦合后的声腔系统共振时,声腔模态幅值应趋于无穷,则回路总阻抗应趋近于无穷,即

将式(3)和Ycs=CYsCT代入式(7),忽略阻尼项,耦合后声腔的固有频率可用下式进行估计:

同理,当耦合后的夹层板共振时,板模态幅值应趋于无穷,回路总阻抗趋近于零,即

将式(4)和Zca=CZaCT代入式(9),忽略阻尼项,耦合后板的固有频率可用下式进行估计:

由式(8)和式(10)可以看出,本文提出的结构-声耦合系统电路概念分析模型对耦合系统固有频率的估计式与文献[6]的结果完全相同,说明本文分析模型和计算方法是完全正确的。

2 夹层板参数对耦合特性的影响

分析蜂窝夹层板设计参数对耦合特性的影响机理和规律,对于舱室内的声学设计和夹层板的改进设计都有重要意义。为简化分析,取规则的长方体封闭声腔,顶面为蜂窝夹层板,边界条件为四边简支,夹层板设计参数如表1所示,腔内声压由单点力激励产生,白噪声信号的截止频率为700Hz,声腔尺寸、单点力作用位置和场点声压位置同文献[5]。

2.1面板厚度对结构-声耦合特性的影响

具有不同面板厚度的蜂窝夹层板结构-声腔系统耦合前后各阶模态、 固有频率和标准化的耦合系数(被耦合系数的最大值除)如表2所示,场点声压响应曲线如图3所示。从图3可以看出,随着面板厚度t的增大,耦合板、腔系统的固有频率较未耦合时固有频率的偏移程度有所减小,这可以用系统的强弱耦合机制来解释,由图1可知,当t增大时,夹层板面密度ρ随之增大,则与Za并联的可调电阻值1/‖Ycs‖增大,这导致板-腔系统的耦合程度减弱,系统各自固有频率受影响减小。同时夹层板质量和弯曲刚度的增大也降低了其受迫振动幅度,腔内声压也有一定程度的减小,这在声腔耦合频率处表现更为明显。以上分析表明:在保证结构重量较轻和第一阶固有频率满足要求的条件下,适当增大面板厚度可以降低腔内的中低频声压响应。

2.2芯层厚度对结构-声耦合特性的影响

具有不同芯层厚度的蜂窝夹层板-声腔系统耦合前后各阶模态、固有频率和标准化的耦合系数如表3所示,腔内声压响应曲线如图4所示。从表3和图4可以看出,随着芯层厚度h的增大,耦合板、腔系统的固有频率较未耦合时各自固有频率的偏移程度有所减小,同时由于较厚芯层对面板的分隔作用使夹层板整体弯曲刚度明显增大,这对板模态的抑制作用比面板厚度变化时更为明显,因此,声压响应幅值均有较大幅度减小。以上分析表明:增大芯层厚度是降低声腔内场点声压响应的有效手段,且芯层厚度增大对结构整体质量的影响很小,因此,尽可能地增大芯层厚度有利于提高结构的固有频率和降低声腔内的声压响应。

3 结束语

本文基于可调并联电路概念提出了一种分析结构-声耦合问题的新方法,对耦合声腔和弹性板系统的强弱耦合机制、耦合特性等进行了分析,基于回路总阻抗的分析对耦合系统的耦合共振频率进行了估计,与已有文献计算结果的比较验证了本文模型和计算方法的正确性;在此基础上分析了面板和芯层厚度对夹层板封闭声腔内声压响应的影响,初步总结了蜂窝夹层板封闭空间内低噪声设计和改进的基本规律,为高速交通运输工具舱室内的声学优化和改进设计提供了指导和依据。

参考文献

[1]肖加余,王兴业,杨孚标,等.夹层结构复合材料设计原理及其应用[M].北京:化学工业出版社,2007.

[2]辛锋先,卢天健,陈常青.轻质金属三明治板的隔声性能研究[J].声学学报,2008,33(4):340-347.

[3]Wang T,Li S,Nutt S R.Optimal Design of Acous-tical Sandwich Panels with a Genetic Algorithm[J].Applied Acoustics,2009,70:416-425.

[4]Dowell E H,Gorman G F,Smith D A.Acoustoelas-ticity:General Theory,Acoustic Natural Modes andForced Response to Sinusoidal Excitation,IncludingComparisons with Experiment[J].J.Sound Vib.,1977,52:519-542.

[5]Kim S M.Brennan M J.A Compact Matrix Formu-lation Using the Impedance and Mobility Approachfor the Analysis of Structural Acoustic Systems[J].Journal of Sound and Vibration,1999,223(1):97-113.

[6]靳国永,杨铁军,刘志刚,等.弹性板结构封闭声腔的结构-声耦合特性分析[J].声学学报,2007,32(2):178-188.

蜂窝结构 第9篇

关键词：蜂窝夹层结构,挖补修理,抗弯强度,破坏模式,强度恢复率

复合材料因具有比强度和比刚度高、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀等许多优异特性, 近年来在飞机结构中的用量激增。复合材料结构在制造和使用过程中不可避免会出现损伤, 因此其结构的修理问题越来越受到人们的重视, 复合材料修理效果成为当前复合材料修理方面的热点之一[1]。飞机实际结构中大量使用蜂窝夹层结构, 如雷达罩、客舱地板、各类装饰面板、各类整流罩、操纵舵面和梁腹板等[2], 对蜂窝夹层结构修理后的力学性能开展研究是有必要的。

夹层结构通常是由比较薄的板材作面板, 比较厚的密度小的材料作芯子胶接而成, 一般面板采用强度和刚度比较高的材料, 而芯子支撑其间, 使面板在承受压力时能够较好地保持弹性稳定性。夹层结构的特点是抗弯刚度较高, 可以在最小质量下达到刚性结构件的要求, 因此在飞机结构中有广泛的应用[3]。

S.Belouettar等[4]研究铝蜂窝夹层结构在四点弯静力和疲劳作用下的破坏模式和破坏载荷;He Li等[5]针对几类芯子的弯曲应力进行精确分析;张广成等[6]研究蜂窝夹层结构的力学性能, 分析了预置缺陷对弯曲性能的影响。R.B.Pipes等[7]针对修理后复合材料结构的承载能力进行了实验验证。国外一些学者对修理后复合材料结构开展了大量的实验研究[8,9,10]。J.S.Tomblin[11,12]等针对修理后的蜂窝夹层结构进行四点弯测试, 分析相关修理参数的影响;汪海等[13]研究轴压蜂窝夹层修理结构的强度及破坏模式。

蜂窝夹层结构的主要损伤包括蒙皮和蜂窝芯的损伤、分层及脱胶。夹层结构承受弯曲载荷下常见的破坏模式:总体失稳, 由夹层结构的弯曲刚度不够导致的;芯子剪切皱折, 是由于芯子剪切模量过小, 胶黏剂剪切强度过低, 产生在挠曲之后的最终破坏;面板起皱, 是由于胶黏剂平面压缩强度不够而产生面板向外凸出, 或者芯子压缩强度不够而产生面板向内凹陷;蜂窝孔间面板失稳 (起波) , 是由于面板太薄, 蜂窝孔太大, 这种现象由于向临近蜂窝孔发展而可能引起破坏, 从而导致面板起波;面板破裂, 由面板强度不够, 厚度不够导致的;芯子剪切破坏, 由芯子剪切强度厚度不够导致的;芯子挠曲压塌, 由芯子平面压缩强度不够导致的;芯子局部压损, 是由芯子压缩强度太小导致的;面板与芯子分离是由面板与芯子胶接强度不够导致的[14]。

蜂窝夹层结构承受较大载荷时可能有以上几种破坏形式同时存在, 设计蜂窝夹层结构时, 需要对可能的破坏模式进行强度计算, 其中弯曲载荷是结构使用过程中比较常见的载荷形式之一, 因此本工作主要关注弯曲载荷作用下蜂窝夹层结构的弯曲性能, 并观察其破坏模式。同时, 针对含不同损伤位置的边缘闭合蜂窝夹层结构在不同的工艺状态下的修理效果对弯曲性能的影响进行分析, 实现对工艺参数和修理方法的分析与设计。

1 实验

1.1 实验条件

使用INSTRON-8803型多功能试验机对实验件进行四点弯曲加载, 测试温度为室温 (23±3) ℃, 相对湿度为 (50±10) %, 加载速率4mm/min。

1.2 实验对象

本次实验主要针对含损伤边缘封闭的蜂窝夹层修理结构的弯曲性能进行测试。为了测试修理效果, 需要分析实验件损伤前、损伤后以及修理后的弯曲性能, 因此将实验件分为3大类:完好实验件, 损伤实验件和修理实验件, 以下简称完好板 (U) , 损伤板 (D) 和修理板 (R) 。蜂窝夹层结构件示意图如图1所示。

为了进行弯曲性能测试, 设计实验件为440mm×160mm的矩形板, 面板材料为4层单向MTM44-1预浸料, 面板中间为10mm高的蜂窝芯子, 材料为HRH-10-1/8-3, 铺设方式为[45°/0°/-45°/90°]/C/[90°/-45°/0°/45°];面板和芯子胶接的胶黏剂采用PL7000, 发泡胶是FM490A。由于损伤可能出现在蜂窝夹层结构的不同位置, 特考虑结构中央和结构边缘两种实验件的损伤和修理, 边缘带长30mm, 如图2所示。为了测得修理区域在弯曲载荷状态下的效果, 将四点弯曲实验件的非实验段添加灌封料, 加强承载能力, 采用的材料是Epocost-1619A/B。实验主要针对修理结构与完好结构的弯曲性能差异性进行分析, 差异性主要体现在中间修理区域, 因此选择四点弯曲加载方式, 本工作选择l=4a的四点弯曲加载方式, l为绞支点跨距;a为加载点到绞支点的跨距。

为了模拟蜂窝夹层结构常见损伤, 考虑以下几种严重影响结构承载能力的损伤类型:对于结构中央实验件母板, 经机械加工得到直径分别为25mm和50mm的面板芯子损伤 (FC) 和穿透损伤 (FCF) 两种情况, 相应的修理方法分别为单侧面板和芯子损伤挖补修理 (R-FC) , 穿透损伤双面挖补修理 (R-FCF) , 如图3 (a) , (b) 所示;对于结构边缘实验件母板的中央经机械加工得到尺寸为25mm×80mm的单侧面板以及穿透损伤两种情况, 相应的修理方法分别为单侧面板损伤挖补修理 (ER-F) , 穿透损伤双面挖补修理 (ER-FCF) , 如图3 (c) , (d) 所示。本工作同时还考虑了不同修理设备 (热压罐和热补仪) 的影响。采用热压罐固化单向MTM44-1预浸料需要在180℃保温2h, 压力为0.59MPa;而热补仪固化只能实现在固化温度180℃下保温2h, 压力为0.101MPa。

四点弯载荷作用下的最大弯矩M

面板弯曲正应力[15]

式中:P为集中载荷;a为加载点到绞支点的跨距;σf为面板最大弯曲正应力;tf为面板厚度;d为夹层结构厚度;b为夹层结构宽度。

夹层结构在四点弯载荷作用下, 上面板会发生破坏。

2 结果分析

2.1 破坏模式

采用四点弯曲实验方法测试实验件的弯曲性能, 中间区域为实验段, 上面板承压, 下面板承拉, 由于层压板抗拉强度通常比抗压强度高, 所以通常的破坏模式是上面板发生压缩失效, 褶皱或者劈裂。

图4给出夹层结构的四点弯典型破坏模式, 可以看出, 蜂窝板的完好板在四点弯曲实验中上面板受压破坏, 出现褶皱导致芯子压溃。损伤板的损伤区域是薄弱区域, 通常会由孔边开始破坏, 损伤扩展到自由边, 面板沿中面折断, 整个结构失去承载能力。然而对于修理结构, 破坏模式是随着修理效果的好坏而变化的, 可以发现修理后结构的破坏模式大致分为3类:胶层破坏、补片撕裂、中面折断破坏;补片中面折断, 补片与母板没有发生脱胶;补片边缘面板折断, 蜂窝压溃。在弯曲加载作用下, 蜂窝夹层结构的下面板没有明显损伤[16]。

表1给出实验件的破坏强度、强度恢复率以及破坏模式列表。表1中, 实验件参数标有 (H) 的实验件是属于热补仪修补, 标有 (A) 的实验件是热压罐修补;标有25和50的实验件是损伤直径分别为25mm和50mm的损伤件或者修理件。

图5为实验件的破坏强度与破坏模式的对比分析。按照破坏模式进行分类, 发现损伤板的破坏强度最低;修理板的相同破坏模式的破坏载荷相近, 其中补片边缘折断修理板和补片中面折断修理板的破坏强度较高, 与完好板相当;胶层破坏修理板的破坏强度相对较低。由此说明, 不同破坏模式修理板的修理效果是不同的, 而修理效果是随着损伤直径, 损伤类型和修理设备等参数的变化而变化。

2.2 固化设备影响

使用两种固化设备固化修理结构, 分别是热压罐和热补仪。热压罐的工艺原理是利用热压罐内部的高温气体产生压力对复合材料胚料 (预浸料) 进行加热、加压以完成固化成型的方法, 使用起来投资大, 成型过程中耗费能源多, 操作过程比较复杂。热补仪是通过将加热毯覆盖在固化区域上, 使用热电偶监控温度, 采用真空袋装置施加一个大气压的压力, 进行固化成型, 使用方便简捷。

图6为固化设备对强度恢复率的影响。可以看出, 对于面板边缘和面板中央两类损伤状态的修理实验件, 热压罐修理效果比热补仪修理效果均略好一些。这是由于热压罐成型压力大, 温度均匀, 修理层和胶层之间的孔隙减少, 固化效果好, 而热补仪成型压力仅为一个大气压, 通过加热毯加热保持温度, 可能出现传热不均匀现象。但是热补仪修补之后, 抗弯强度恢复率比热压罐减少约8.53%。由此可以说明, 在外场使用或者考虑成本时, 可以采用热补仪替代热压罐进行修理。

2.3 损伤直径影响

采用热补仪固化方法来分析不同损伤直径的修理效果。宽度相同、损伤直径不同的损伤结构破坏模式相似, 但是破坏强度随着损伤直径的增大而降低。对于损伤后修理板, 修理效果会对破坏载荷产生较大的影响, 图7给出损伤直径不同的修理板示意图。

由图7可知, 修理前需要将母板打磨成凹面, 修理过程中的大损伤相对母板去除结构会比小损伤多, 在修补前, 母板本身的承载能力会随着打磨去除的增多而降低。如果胶接质量较高, 胶接面的破坏强度相似, 那么修补大损伤和小损伤的修理效果应该是一样的, 但是如果胶接质量不好, 那么胶层提前破坏, 两种母板本身的承载能力不同, 修理效果也会不同。

图8为损伤直径对强度恢复率的影响。结合图8和图5可以看出, 直径为50mm实验件的破坏强度较低, 其破坏模式为胶层破坏和补片撕裂。而直径为25mm实验件, 补片没有撕裂, 只是补片中间折断。两者的破坏模式主要差异是50mm损伤直径实验件的胶层发生破坏, 说明该类实验件的胶接质量较差。而对于R-FCF型损伤直径为25mm和50mm的破坏模式相同, 参考表1可以看出破坏强度相近, 说明损伤直径不影响修补效果, 由破坏模式相同说明两者的胶接质量相近。由R-FC型和R-FCF型的不同损伤直径实验件对比可以看出, 在胶接质量较好的前提下, 大损伤与小损伤修补后的强度相差不多。

2.4损伤类型影响

采用相同的修理参数和热补仪固化方法, 来分析不同损伤类型的修理效果。损伤情况分为结构中央单侧面板和芯子损伤、结构中央穿透损伤、结构边缘面板损伤以及结构边缘穿透损伤 (图3) 。

图9为损伤类型对修理后夹层结构强度恢复率的影响。可以看出, 损伤结构的抗弯强度占完好板抗弯强度的40%~60%, 而修理之后的强度恢复率达到90%以上, 说明修理效果很好, 各类损伤类型修理后结构中央的修理效果比结构边缘修理效果好, 这是由于结构边缘的结构形式和修理过程中胶接面都比较复杂, 影响胶接质量。

3结论

(1) 修理之后的抗弯强度恢复率基本处于90%以上, 说明修理效果良好, 但是工艺参数的变化影响修理后的弯曲性能。

(2) 相同破坏模式实验件的抗弯强度相近, 其中补片边缘折断修理板和补片中面折断修理板的抗弯强度较高, 与完好板相当;胶层破坏修理板的抗弯强度相对较低。

(3) 在选用的结构和材料体系下, 采用热压罐固化修理效果比热补仪修理效果好, 在外场使用时, 可以用热补仪修补替代热压罐修补。