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复合材料点阵夹芯结构的耦合换热及热应力分析
复合材料点阵夹芯结构的耦合换热及热应力分析
摘要：本文旨在研究复合材料点阵夹芯结构的耦合换热及热应力分析。通过分析夹芯结构的热传递机理，建立了数学模型，利用数值分析方法进行计算，得出了复合材料点阵夹芯结构的温度场和热应力分布。研究结果表明，点阵结构夹芯板的热应力与材料参数、工艺参数、温度载荷等诸多因素密切相关，同时也发现了多种降低损伤的策略。该研究为点阵结构夹芯板的应用提供了参考。
关键词：复合材料、点阵夹芯结构、耦合换热、热应力
Introduction
随着科技的发展，先进的复合材料成为了航空航天、汽车、轨道交通等领域的重要材料。复合材料具有高强度、高刚度、轻质化等优点，而点阵夹芯结构更是在这些优点基础上突破了复合材料的局限性，得到了广泛应用。
点阵夹芯结构中的夹芯板是由两层复合材料板与中间的芯层组成。芯层的形状可以是正方形、六边形、菱形等。点阵夹芯结构具有轻质、高刚度、高强度、高能吸收等优点，并且具有良好的力学性能。
然而，在实际应用中，复合材料点阵夹芯结构在受到温度载荷的作用下容易发生变形、开裂等现象，这主要是由于复合材料的热膨胀系数较大、温度分布不均匀等原因所导致的。因此，本文旨在研究复合材料点阵夹芯结构的耦合换热及热应力分析，为点阵结构夹芯板的应用提供参考。
AnalysisofCoupledHeatTransferandThermalStressofCompositeLatticeSandwichStructures
1.建立热传递模型
复合材料点阵夹芯结构受热载荷作用时，经历了三个传热阶段：热传入芯层，芯层传热，热传到面板。在这里我们将芯层的传热过程视为一个热传导问题，并采用不可压缩的Navier-Stokes方程组考虑了对流换热效应。
设面板的厚度为h，总宽度为b，芯层的厚度为d，其它物理量与表达式如下：
热传导系数：Kp，Kc;
材料密度、比热：ρm，Cp；
温度分布：T(x,y,z,t)；
热流密度：q(x,y,t)。
2.构建模型
为了进一步研究复合材料点阵夹芯结构的热应力特征，需构建点阵夹芯板的热传导模型，并利用主流的数值分析软件进行模拟。其中，在分析夹芯结构的热转移机理时，应考虑的条件主要包括：材料参数、工艺参数、温度载荷等。
在本文研究中，对于夹芯板的点阵层，采用了模拟γ/θ两种晶态过程中的组织结构的方法进行建模，以便更好地分析材料参数对复合材料点阵夹芯结构的影响。具体模型如下图所示：
[图]
其中，图中a、b代表每个点阵单元格的长度和宽度。通过计算节点层板面的温度分布，可以得出热应力的分布情况，进一步研究复合材料点阵夹芯结构的力学特性。
3.数值计算及结果分析
采用本文所建立的复合材料点阵夹芯结构热传导模型，利用主流的有限元软件进行模拟计算，得出了复合材料点阵夹芯结构的温度场和热应力分布。研究结果如下：
[图]
从上图可以看出，复合材料点阵夹芯结构的热应力分布呈现出明显的非线性特征，与材料参数、工艺参数、温度载荷等诸多因素密切相关。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素，并采用合适的降低损伤的策略。
4.损伤降低策略
在实际应用过程中，可以采用一些降低损伤的策略，具体包括：
(1)优化点阵结构；
(2)调节材料工艺参数；
(3)加强附着界面；
(4)管理温度载荷。
综上所述，本文通过建立复合材料点阵夹芯结构的热传导模型，研究了点阵结构夹芯板的温度场和热应力分布。研究结果表明，点阵结构夹芯板的热应力与材料参数、工艺参数、温度载荷等诸多因素密切相关。同时，本文还提出了多种降低损伤的策略，为点阵结构夹芯板的应用提供了参考。