蜂窩夾層板強(qiáng)度分析模型對(duì)比研究

蘇 玲，劉 賽，尹 進(jìn)，肖 凱

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

蜂窩夾層板與金屬板、普通復(fù)合材料層合板相比，具有高比剛度、高比強(qiáng)度的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。蜂窩夾層板一般由上下面板和夾芯組成，需要建立等效強(qiáng)度校核模型，以降低計(jì)算成本，提高計(jì)算效率。因此，蜂窩夾層板的力學(xué)等效方法成為一個(gè)重要的研究課題。

在早期的研究中，通常把蜂窩夾層板簡化為等剛度的板，具有代表性的有Allen理論[1]、Reissner理論[2]、Hoff理論[3]等，每種理論基于不同的假設(shè)條件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元計(jì)算方法的發(fā)展，可以進(jìn)一步減少對(duì)蜂窩夾層板的受力假設(shè)。但由于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，目前工程上仍然不采用詳細(xì)模型對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，一般采用簡化的三明治夾芯板模型和實(shí)體三明治夾芯板模型。然而各種等效理論以及工程等效模型都有其適用范圍和計(jì)算精度，需要對(duì)此深入了解，才能應(yīng)用這些方法進(jìn)行飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

本文分別采用計(jì)算精度較高的Hoff理論[4]、在工程中廣泛采用的三明治夾芯板模型和實(shí)體三明治夾芯板模型對(duì)蜂窩夾芯板的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，并以詳細(xì)的蜂窩體夾芯板模型為基準(zhǔn)，對(duì)不同模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析并得到相應(yīng)結(jié)論。

1 強(qiáng)度校核模型

1.1 Hoff等效板模型

Hoff理論中，設(shè)定蜂窩夾層板滿足以下假設(shè)條件：1)中厚度面板假設(shè)，認(rèn)為面板同時(shí)具有面內(nèi)剛度和彎曲剛度；2)認(rèn)為夾芯不承受面內(nèi)應(yīng)力，不具有面內(nèi)剛度；3)忽略夾芯和面板的法向應(yīng)力分量，假定法向應(yīng)力為零。

等效板理論是將整體蜂窩夾層板等效為不同厚度的各向同性材料板。等效板強(qiáng)度模型的優(yōu)點(diǎn)是易于計(jì)算。等效板為彎曲板，滿足小撓度薄板的Kirchhoff假設(shè)。

在Hoff理論中，由蜂窩夾層板的剛度公式和彎曲板的剛度公式得到蜂窩夾層板的等效參數(shù)[5]:

等效厚度為

(1)

等效彈性模量為

(2)

等效泊松比為

μeq=μf

(3)

等效密度為

(4)

式(1)～式(4)中，hf為面板厚度，hc為夾芯高度，Ef為面板彈性模量，μf為面板泊松比，ρc為夾芯密度,ρf為面板密度,k為考慮膠膜等附加質(zhì)量的系數(shù)，通常k取1.3～2.1。

計(jì)算完成后，由等效板的應(yīng)力計(jì)算得到蜂窩夾層板上下面板的應(yīng)力[5]，計(jì)算過程如下：

由板彎理論和蜂窩芯子不承受面內(nèi)載荷的假設(shè)得到內(nèi)力矩應(yīng)力σM為

(5)

平面內(nèi)應(yīng)力σN為

(6)

σup=σM-σN，σlower=σM+σN

(7)

式(7)中，σup為上面板應(yīng)力，σlower為下面板應(yīng)力。

1.2 三明治夾芯板模型

三明治夾芯板模型將整體蜂窩夾層板假設(shè)為層合板，分為3部分:第1部分為上面板鋪層；第2部分將蜂窩芯等效為正交各向異性材料，作為層合板的一層鋪層；第3部分為下面板鋪層。各部分厚度為各鋪層的真實(shí)厚度，蜂窩芯等效性能計(jì)算公式為[6]

(8)

式(8)中，γ為修正系數(shù)，理論值取1，一般取0.4～0.6,Es、Gs、ρs、μs分別為芯子材料的彈性模量、剪切模量、密度和泊松比,t為蜂窩芯子壁厚，l為蜂窩外接圓半徑。

1.3 三明治實(shí)體夾芯板模型

三明治實(shí)體夾芯板模型將蜂窩芯子等效為六面體單元，上下面板分別通過殼單元建模，與六面體單元共結(jié)點(diǎn)連接。六面體單元賦予等效的各向異性材料性能[7]：

G33=Ecc，G55=Gcyz，G66=Gcxz，即壓縮模量及兩個(gè)方向的剪切模量。其他Gij為0，為防止數(shù)值運(yùn)算溢出，G11=G22=G44=min(G33,G55,G66)×0.001。

需要說明的是，為了得到更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，在芯子厚度方向通常劃分多個(gè)單元。

1.4 蜂窩體夾芯板模型

蜂窩體夾芯板模型對(duì)蜂窩夾芯板進(jìn)行了詳細(xì)的建模，具體到對(duì)蜂窩芯格詳細(xì)建模，蜂窩芯格與上下面板共結(jié)點(diǎn)連接。各部分材料性能賦予真實(shí)材料性能。

2 研究算例

本文對(duì)一塊長768mm、寬443mm、高30mm的鋁蜂窩夾層板進(jìn)行了等效方法研究，計(jì)算該板的應(yīng)力、變形及頻率響應(yīng)。夾層板面板和夾芯選材均為鋁，各方法計(jì)算過程中所用材料性能如表1所示。夾芯為六邊形蜂窩，芯格邊長為4mm，芯格厚度為0.05mm。

表1 鋁材料性能

該夾層板的邊界條件及加載方式如圖1所示，一邊固支，另一邊均勻加載。點(diǎn)1為應(yīng)力取值點(diǎn)，點(diǎn)2為位移取值點(diǎn)，點(diǎn)1和點(diǎn)2位于夾層板y向長度中點(diǎn)。

圖1 算例平板邊界條件及加載方式Fig.1 The boundary and loading mode of the example plate

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比研究

以蜂窩體夾芯板模型為基準(zhǔn)，對(duì)4種計(jì)算模型下的蜂窩夾芯板頻率、變形和應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。4種計(jì)算模型采用有限元分析模型，圖2為4種計(jì)算模型示意圖。

表2～表5分別為4種計(jì)算模型下的蜂窩夾芯板頻率、變形和應(yīng)力結(jié)果，同時(shí)列出了以蜂窩體夾芯板模型為基準(zhǔn)的各計(jì)算結(jié)果誤差。

(a) Hoff等效板模型

(b) 三明治夾芯板模型

(c) 三明治夾芯板實(shí)體模型

(d) 蜂窩體夾芯板模型

頻率Hoff等效板模型/Hz誤差三明治夾芯板模型/Hz誤差三明治夾芯板實(shí)體模型/Hz誤差蜂窩體夾芯板模型/Hz1階39.565-33.14%54.242-8.34%53.481-9.63%59.1782階146.31-29.36%175.97-15.04%172.81-16.57%207.133階243.06-30.69%294.54-16.01%289.81-17.36%350.67

表4 變形分析結(jié)果及誤差

表5 應(yīng)力分析結(jié)果及誤差

由表2可以看到，Hoff等效板模型的頻率分析結(jié)果小于基準(zhǔn)，誤差在-34%以內(nèi)。兩種三明治夾芯板模型的頻率分析結(jié)果相當(dāng)，均小于基準(zhǔn)值，誤差在-18%以內(nèi)。

由表3可以看到，3種模型第1階振型均為法向彎曲，第2階振型均為x向扭轉(zhuǎn)彎曲，第3階振型均為法向彎曲。

由表4分析結(jié)果得知，3種模型位移分析結(jié)果均大于基準(zhǔn)值，誤差在9%以內(nèi)。

由表5分析結(jié)果得知，3種模型上下表面的X向應(yīng)力均大于基準(zhǔn)值，其中，Hoff等效板模型誤差在142%以內(nèi)，兩種三明治模型的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，誤差在36% 以內(nèi)。3種模型上下表面的Y向均小于基準(zhǔn)值，其中Hoff等效板模型誤差在-4%以內(nèi)，兩種三明治模型的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，誤差在-50%以內(nèi)。

4 芯子材料等效性能計(jì)算界面

在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，芯子材料彈性性能數(shù)據(jù)通常需要通過等效計(jì)算得到，尤其是蜂窩夾芯彈性性能數(shù)據(jù)。等效性能計(jì)算方法有多種，本文將具有工程應(yīng)用價(jià)值的兩種等效性能計(jì)算方法(上文的三明治夾芯板模型等效性能計(jì)算方法和三明治夾芯板實(shí)體模型等效性能計(jì)算方法)集成到大型商業(yè)有限元前后處理軟件MSC.Patran界面，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后等效彈性性能自動(dòng)加載到有限元軟件，方便工程應(yīng)用。

圖3 芯子材料等效性能計(jì)算界面Fig.3 The new developed interface of equivalent characteristic calculation for cores

5 結(jié)論

本文通過對(duì)不同蜂窩夾層板校核模型得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下研究結(jié)論，以便應(yīng)用于相關(guān)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1)3種模型在各階頻率下的振型相同，各階頻率分析結(jié)果均小于基準(zhǔn)值，位移分析結(jié)果均大于基準(zhǔn)值，說明3種等效模型下層合板的剛度偏弱。同時(shí)，3種模型X向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果高于基準(zhǔn)，由于3種模型在主要承載方向X向剛度偏弱?？梢缘玫浇Y(jié)論：這3種理論模型是偏于保守的計(jì)算模型。

2)Hoff等效板模型規(guī)模小，適用于計(jì)算機(jī)技術(shù)不成熟的20世紀(jì)早期，同時(shí)該方法不能直接得到面板的應(yīng)力，且應(yīng)力誤差較大。

3)三明治夾芯板模型與三明治夾芯板實(shí)體模型計(jì)算精度相當(dāng)，剛度和強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果誤差相對(duì)Hoff等效板模型小，并且由于建模相對(duì)便捷，因此這兩種模型成為工程應(yīng)用首選。同時(shí)，本文基于這兩種模型等效方法建立了芯子等效性能計(jì)算交互界面，使其工程應(yīng)用更便捷。