復(fù)合材料蜂窩夾芯板仿真技術(shù)研究

梁偉 張俊

摘要：蜂窩具有密度小、剛度大的特點(diǎn)，廣泛用于航空航天、船舶等領(lǐng)域，在結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中發(fā)揮著突出的作用，目前主要應(yīng)用于蒙皮、地板、內(nèi)飾等結(jié)構(gòu)中。本文采用一種實(shí)體等效方法對(duì)芳綸紙蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行建模，并通過仿真分析及試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，通過研究得出采用蜂窩結(jié)構(gòu)實(shí)體等效分析方法時(shí)，隨蜂窩板厚度增加誤差值減小，且此種等效分析結(jié)果抬高了材料剛度值，需對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。

關(guān)鍵詞：蜂窩結(jié)構(gòu);等效;仿真;試驗(yàn)

引言

蜂窩作為芯材，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶車輛以及建筑裝潢等領(lǐng)域，具有密度小剛度大的特點(diǎn)。工程上常用的蜂窩為鋁蜂窩，由鋁的合金板粘接而成，目前在飛機(jī)和航天器比較常見，主要起承力和緩沖的作用。這種板相對(duì)傳統(tǒng)鋁合金板，可有效減小飛機(jī)和航天器的整體重量，具有重要的意義。除鋁蜂窩外，紙蜂窩和陶瓷蜂窩也是近些年來較為新興的蜂窩。紙蜂窩具有成本低，可回收，綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，常用于航空器座艙內(nèi)飾板、電器艙隔板等。本文主要研究芳綸紙蜂窩夾芯板的彎曲特性。

目前針對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的仿真分析均存在不同程度的誤差，典型的復(fù)合材料失效準(zhǔn)則包含，Gose提出了應(yīng)變不變量失效準(zhǔn)則，將基體的失效分為膨脹失效和扭曲失效，在細(xì)觀層面利用應(yīng)變判斷纖維和基體的破壞;Mayes等發(fā)展了跨尺度失效準(zhǔn)則MCT，通過細(xì)觀力學(xué)理論分別導(dǎo)出了纖維和基體的本構(gòu)關(guān)系，采用二次應(yīng)力準(zhǔn)則分別判斷其失效;Wang將纖維失效分為拉伸失效和壓縮失效，基體失效分為膨脹失效和扭曲失效，考慮了聚合物基樹脂扭曲失效對(duì)壓力的敏感性，采用修正的Von Mises屈服準(zhǔn)則判斷基體的失效;Ha等提出了細(xì)觀失效準(zhǔn)則MMF，同時(shí)考慮了纖維、基體和界面的失效，并建立了相應(yīng)的損傷演化準(zhǔn)則。目前跨尺度失效準(zhǔn)則在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)斷裂和耐久性分析中得到了一定的應(yīng)用，特別是討論溫度和纖維體積含量對(duì)材料性能影響時(shí)其具有顯著的優(yōu)勢(shì)。然而目前跨尺度失效準(zhǔn)則尚不成熟，宏、細(xì)觀的轉(zhuǎn)化及細(xì)觀失效模式的判定等方面尚存在很多問題。

本文通過試驗(yàn)方法測(cè)試不同密度、不同厚度的蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)彎曲剛度，并采用有限元單元等效方法，采用試驗(yàn)件同尺寸模型進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比試驗(yàn)與仿真結(jié)果，對(duì)仿真方法進(jìn)行修正，最終得到誤差較小的等效模型，為后續(xù)蜂窩結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1蜂窩結(jié)構(gòu)仿真原理

雖然蜂窩芯層很軟，但由于它相對(duì)蒙皮而言具有較大的厚度，因此忽略其面內(nèi)剛度和彎曲剛度必然會(huì)導(dǎo)致不可忽視的誤差。三明治夾心板理論是對(duì)蜂窩夾芯進(jìn)行等效的一種有效方法，假定芯層能抵抗橫向剪切變形并且具有一定的面內(nèi)剛度，上、下蒙皮層服從Kirchhoff假設(shè)，忽略其抵抗橫向剪應(yīng)力的能力，則蜂窩芯層可以等效為一均質(zhì)的厚度不變的正交異性層。

由上表可知，采用實(shí)體等效方法進(jìn)行芳綸紙蜂窩仿真分析，在線性分析過程中，其誤差最大為19%，且均為正值，表明實(shí)體等效方法較原結(jié)構(gòu)剛度有所提升，因?yàn)榇朔N分析方法未考慮層間膠接屬性，簡(jiǎn)化為實(shí)體固接。因此采用此種方法分析蜂窩結(jié)構(gòu)時(shí)，安全裕度要求應(yīng)隨厚度降低而逐漸提高，確保結(jié)構(gòu)的安全性。

4總結(jié)

本文以蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)實(shí)體等效建模仿真計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證，通過理論分析、仿真計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)得出以下結(jié)果：

（1）采用實(shí)體等效方法能夠?qū)崿F(xiàn)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的仿真分析，計(jì)算結(jié)果具備參考價(jià)值。

（3）隨蜂窩厚度增加，由于剛度提升，其分析誤差值逐步減小。

（2）蜂窩等效模型剛度較原狀態(tài)提升，因此在蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)提高安全裕度要求。

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（作者單位：航空工業(yè)昌河飛機(jī)制造集團(tuán)有限責(zé)任公司）