金屬三明治結(jié)構(gòu)連接接頭的設(shè)計

孟凡玲，榮 翰

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159)

三明治結(jié)構(gòu)具有比強度高、抗沖擊性能好、防腐、隔熱、隔聲和防輻射等優(yōu)良性能，在船舶結(jié)構(gòu)制造中有著廣闊的應(yīng)用前景。I型三明治結(jié)構(gòu)因其橫向和縱向都具有較佳的比剛度，且容易制造，所以更適用于船舶結(jié)構(gòu)［1］。研究表明，I型金屬夾層結(jié)構(gòu)可使某船體結(jié)構(gòu)的總重量降低34%，制造成本降低50%［2］。因制造條件限制，工廠里生產(chǎn)的三明治板寬度通常為500～3000mm，長度為1000 ～10000mm［1］，實際應(yīng)用中，需將這些小尺寸的三明治板連接成大尺寸的結(jié)構(gòu)件。連接接頭形式的選取是三明治結(jié)構(gòu)在船舶結(jié)構(gòu)制造中的關(guān)鍵問題之一，接頭形式不僅影響船體結(jié)構(gòu)的組裝工時，也在一定程度上影響夾層結(jié)構(gòu)的強度和抗疲勞等力學性能［3］。

Pyszko［4］建立一種典型連接構(gòu)件的二維參數(shù)化有限元模型，分析其在拉壓載荷與彎曲載荷聯(lián)合作用下極限承載能力隨主要設(shè)計參數(shù)的變化規(guī)律，并得出最優(yōu)設(shè)計方案。Niklas［3］建立三明治結(jié)構(gòu)平板外接和內(nèi)嵌方框兩種接頭的有限元模型，研究了其在拉壓載荷作用下，最大von Mises應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值隨主要設(shè)計參數(shù)的變化規(guī)律，得出兩種連接形式的最優(yōu)設(shè)計方案，并對比分析了兩種接頭形式的優(yōu)劣。王虎等［2］進行了金屬三明治連接接頭的理論研究，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS，采用殼體連接技術(shù)和子模型法，對I型金屬三明治結(jié)構(gòu)的兩種典型連接接頭進行強度了分析。

本文應(yīng)用軟件ABAQUS，針對特定尺寸的金屬三明治結(jié)構(gòu)，進行平行于芯板方向的縱向連接接頭的設(shè)計，選取外接平板和內(nèi)嵌方框兩種典型的接頭形式，計算在施加面內(nèi)載荷的情況下，三明治接頭的應(yīng)力集中系數(shù)，通過對比應(yīng)力集中系數(shù)的變化趨勢，得出最佳接頭幾何尺寸。本研究并未考慮焊接殘余應(yīng)力的影響，因為焊接殘余應(yīng)力可能會影響應(yīng)力集中系數(shù)的計算值，但不會影響應(yīng)力集中系數(shù)隨幾何參數(shù)的變化趨勢，所以不影響設(shè)計結(jié)果。

1 設(shè)計方案

某廠生產(chǎn)的三明治結(jié)構(gòu)單元寬3000mm，長2200mm，不能滿足使用要求。實際應(yīng)用時需要設(shè)計平行于芯板的縱向連接接頭［1］。本文研究材質(zhì)為Q345的三明治結(jié)構(gòu)，三明治板寬8080mm，長2200mm，蓋板厚 2mm，芯板厚 3mm，芯板間距120mm，芯板高度117.8mm;縱向連接接頭采用工藝上較可行的平板外接接頭和內(nèi)嵌方框接頭進行研究［3］。

判斷連接接頭性能優(yōu)劣的標準是應(yīng)力集中、重量和制造過程的難易程度。應(yīng)力集中是首要判定標準，但接頭重量也不能太大，通常接頭重量小于三明治結(jié)構(gòu)的10%［3］。本研究在保證接頭重量小于三明治結(jié)構(gòu)重量10%的前提下，主要對比幾何參數(shù)變化后，平板對接接頭和內(nèi)嵌方框接頭的應(yīng)力集中系數(shù)的變化，最終選擇應(yīng)力集中系數(shù)較小的接頭。

2 建立模型及求解

2.1 幾何模型和材料性質(zhì)

遠離連接接頭的三明治結(jié)構(gòu)對連接構(gòu)件強度的影響甚小，所以有限元模型僅含6個芯板。由于幾何和載荷上的對稱性，可分析1/4截面的二維模型，加快分析速度。圖1為平板外接接頭的二維對稱模型，模型關(guān)于X軸和Y軸對稱。圖2為內(nèi)嵌方框接頭的二維對稱模型，關(guān)于X軸和Y軸對稱。Q345的彈性模量為200GPa，泊松比0.3。

圖1 平板外接接頭二維對稱模型

圖2 內(nèi)嵌方框接頭二維對稱模型

2.2 網(wǎng)格劃分和單元選擇

平板外接接頭和內(nèi)嵌方框接頭的網(wǎng)格劃分見圖3。最大網(wǎng)格尺寸約為1mm，考慮應(yīng)力集中通常位于角焊縫的焊腳或焊跟處，故將接頭及附近的區(qū)域劃分成細網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸約為0.1mm。每個模型包含約9000個單元，單元類型為CPS4R。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件和施加載荷

在兩個接頭模型的左側(cè)施加對稱于X軸的邊界條件，在下側(cè)施加對稱于Y軸的邊界約束，見圖1和圖2。為使模擬結(jié)果更精確，在接頭相互接觸的表面上設(shè)置接觸屬性［5］，右側(cè)施加50MPa的面內(nèi)拉伸載荷。

2.4 連接接頭幾何參數(shù)取值

平板外接接頭的具體參數(shù)和尺寸見圖4a。d1取值30mm，為保證整個結(jié)構(gòu)的剛度，接頭處腹板的距離和主結(jié)構(gòu)一樣，取d2=60mm;外接平板與蓋板的間隙tg=0.2mm。焊角尺寸k等于外接平板的厚度 t;外接平板的厚度 t分別取 2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm，外接平板的半寬 d3分別取 40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm。內(nèi)嵌方框接頭的具體參數(shù)和尺寸見圖4b。焊角尺寸k=2mm，間隙tg=0.2mm。

圖4 幾何參數(shù)

三明治結(jié)構(gòu)中，考慮結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，通常芯板的厚度要大于蓋板的厚度。本文將芯板和蓋板設(shè)成不等厚，t1和t2共取5組值，分別為2.0/3.0mm、2.5/3.5mm、3.0/4.0mm、3.5/4.5mm、4.0/5.0mm。d1和 d2共取9組值，分別是20/50mm、30/50mm、40/50mm、50/50mm、30/40mm、40/40mm、50/40mm、40/30mm、50/30mm。

3 結(jié)果分析

3.1 平板外接接頭分析

平板外接接頭在給定參數(shù)下，計算出的最大Von Mises應(yīng)力與外載荷的比值為應(yīng)力集中系數(shù)。所有參數(shù)下的最大Von Mises應(yīng)力值均在接頭角焊縫的焊角或焊跟部位，說明在面內(nèi)載荷作用下，接頭處為整個三明治結(jié)構(gòu)的最薄弱部位。表1為在面內(nèi)拉伸載荷50MPa時計算出的平板外接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)。當半板寬d3固定時，應(yīng)力集中系數(shù)隨板厚t的增加而減小。當板厚t固定時，應(yīng)力集中系數(shù)先減小，在半板寬為d3=60mm時，達到最低值。進一步增加板寬，應(yīng)力會升高，在d3=100～110mm時，應(yīng)力集中系數(shù)達到局部最大值。圖5是當板厚t=3.5mm，半板寬與X、Y方向最大變形量的關(guān)系。所有半板寬d3對應(yīng)的X軸的最大變形量均位于接頭處的第一個芯板上，X方向變形量越大，接頭應(yīng)力集中系數(shù)越小。當d3=60mm時，X軸變形量為最大值0.4mm，而接頭應(yīng)力集中系數(shù)為最小值2.98。應(yīng)力和形變的關(guān)系，可用圖6～圖8的應(yīng)力云圖解釋。當d3=60mm，接頭的角焊縫恰好位于三明治結(jié)構(gòu)芯板上方，此時面內(nèi)拉伸載荷由接頭和芯板共同承擔，第一個芯板受力較大，變形也較大，相對應(yīng)的接頭處的應(yīng)力反而減小。應(yīng)力集中參數(shù)最小，此時的接頭重量為三明治板重量的6%，小于10%的經(jīng)驗值。當d3為40mm和80mm時，第一個芯板受力較小，變形也較小，拉伸載荷基本由平板接頭承擔，所以接頭處應(yīng)力較小。綜上所述，平板外接接頭的最佳設(shè)計參數(shù)為 d3=60mm、t=3.5mm［6－7］。

表1 外接平板連接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)

圖5 平板外接接頭X和Y方向變形量

圖6 d3=40mm t=3.5mm時的應(yīng)力云圖

圖7 d3=60mm t=3.5mm時的應(yīng)力云圖

圖8 d3=80mm t=3.5mm時的應(yīng)力云圖

3.2 內(nèi)嵌方框接頭分析

表2是內(nèi)嵌方框連接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)。d1和d2固定時，隨著板厚t1和t2的增加，應(yīng)力集中系數(shù)減小。當板厚 t1和 t2等于 3.5mm和4.5mm，d2等于50mm，隨著 d1從20mm增加到50mm，應(yīng)力集中系數(shù)增大。應(yīng)力集中系數(shù)的變化趨勢也可用圖9～圖12說明。圖9是板厚t1和t2等于3.5mm和4.5mm，d2等于50mm時，d1與X、Y方向最大變形量的關(guān)系。與平板外接接頭類似，X方向變形量越大，接頭應(yīng)力集中系數(shù)越小，但X、Y方向最大變形量均比平板外接接頭的變形量小，這是因為內(nèi)嵌方框的截面比平板外接的截面大，故其剛性也大。圖10～圖12是當板厚t1和t2取3.5mm和4.5mm，d2等于50mm時，d1分別為20mm、30mm和50mm的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，當d1為20mm和30mm時，內(nèi)嵌方框的立板承擔一部分載荷，所以接頭處的應(yīng)力值較小，X方向的變形較大;當d1為50mm時，因接頭焊縫和內(nèi)嵌方框立板的距離較遠，立板幾乎不分擔載荷，導(dǎo)致接頭處的應(yīng)力值較大，X方向的變形較小。綜上所述，只有當d1和d2值搭配合理，內(nèi)嵌方框的垂直板和水平板能同時分擔應(yīng)力時，應(yīng)力集中系數(shù)才較小。經(jīng)比較，最佳參數(shù)為t1和t2取3.5mm 和4.5mm、d1和d2取30mm 和40mm，此時的接頭重量為三明治板重量的9%，小于10%的經(jīng)驗值。

表2 內(nèi)嵌方框連接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)

對比平板外接和內(nèi)嵌方框兩種連接接頭，雖然平板接頭的變形較大，但平板接頭的應(yīng)力集中系數(shù)小，增重少，更易加工制造，所以在面內(nèi)拉伸載荷情況下，優(yōu)先考慮采用平板外接接頭。

圖9 內(nèi)嵌方框接頭X和Y方向變形量

圖10 d1=20mm的應(yīng)力云圖

圖11 d1=30mm的應(yīng)力云圖

圖12 d1=50mm的應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

在面內(nèi)拉伸載荷作用下，對金屬三明治結(jié)構(gòu)的連接接頭形式進行設(shè)計，選擇了平板外接和內(nèi)嵌方框兩種接頭形式，針對這兩種接頭，計算應(yīng)力集中系數(shù)，選擇接頭的最佳幾何參數(shù)，得出如下結(jié)論:

(1)外接平板接頭的最佳設(shè)計參數(shù)為板厚t=3.5mm，半板寬d3=60mm。

(2)內(nèi)嵌方框接頭的最佳參數(shù)為水平板厚3.5mm，垂直板厚4.5mm，半板寬40mm，三明治結(jié)構(gòu)蓋板外伸距離30mm。

(3)對比平板外接和內(nèi)嵌方框兩種接頭，應(yīng)優(yōu)先選用平板外接接頭。

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