直柱型點陣結(jié)構(gòu)在填充聚氨酯材料時的剛度性能研究

劉建華，張云鳳

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強度高、剛度高等多方面優(yōu)異特性，是新一代結(jié)構(gòu)材料一體化的理想結(jié)構(gòu)材料，因而備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注.

在點陣復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究中，文獻［1］研究了帶蒙皮的點陣結(jié)構(gòu)蒙皮和加強肋條之間的相互作用問題;在點陣結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計方面，文獻［2-4］對二維點陣復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的屈曲性能進行了分析，對帶損傷的點陣復(fù)合材料結(jié)構(gòu)平板的屈曲性能、后屈曲性能和固有頻率等方面進行了研究;文獻［5］研究了平板型點陣復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并采用拉擠互鎖工藝制備出了實驗樣品.一系列嘗試和研究表明點陣結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能方面具有其他結(jié)構(gòu)材料無法取代的優(yōu)異特性.聚氨酯復(fù)合材料夾層板的研究與應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，在海洋平臺方面，文獻［6］提出了一種新的復(fù)合構(gòu)件，即在外鋼管之間灌注聚氨酯彈性體，形成一種新的組合構(gòu)件——圓中空夾層鋼管聚氨酯復(fù)合構(gòu)件(PFDSST構(gòu)件)，在工程中取代鋼管混凝土這種笨重的結(jié)構(gòu).在船舶領(lǐng)域，文獻［7］對船用鋼板——聚氨酯夾層板的制造工藝做了探究.文獻［8］利用碰撞理論、試驗及數(shù)值仿真分析對鋼——聚氨酯復(fù)合夾層板的耐撞特性進行了分析研究，對比了等質(zhì)量情況下夾層板在抗沖擊性能上較鋼板所具有的優(yōu)勢.

而將點陣結(jié)構(gòu)與聚氨酯結(jié)合的研究則較少，文中綜合點陣結(jié)構(gòu)優(yōu)異的剛度性能和聚氨酯彈性體的抗變形等方面的優(yōu)點，提出填充聚氨酯材料的直柱型點陣結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件，對填充聚氨酯材料時的直柱型點陣結(jié)構(gòu)進行了仿真模擬.

在復(fù)合材料點陣夾層板的剛度研究中，夾層中柱子的數(shù)目、布置的角度及夾層的高度、面板的厚度等參數(shù)都會對結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生一定的影響，文中從研究最大變形的角度出發(fā)，討論結(jié)構(gòu)在夾芯層高度、上下面板厚度改變的情況下，結(jié)構(gòu)變形發(fā)生的改變，并與其他結(jié)構(gòu)進行對比，綜合討論其剛度性能.

1 有限元模型

有限元模型采用四邊固支的約束形式，在面板施加L=1.6 m的均布載荷，用ANSYS軟件計算其最大變形.填充聚氨酯材料直柱型點陣結(jié)構(gòu)的尺寸為板長L=1.6m，寬B=1.6m，結(jié)構(gòu)示意如圖1，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2，3.

圖1 夾層板結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of sandwich plate

圖2 夾層板內(nèi)部支柱布置Fig.2 Internal pillars′arrangement of sandwich plate

圖3 夾層板內(nèi)部聚氨酯芯層結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal polyurethane core of sandwich plate

結(jié)構(gòu)的面板和支柱均采用船用低碳鋼(Q235鋼)，密度 ρ1=7850kg/m3，E1=2.06 ×105MPa，泊松比 ν1=0.3.芯材為聚氨酯，由文獻［9］知，密度 ρ2=1200kg/m3，彈性模量 E2=820MPa，泊松比ν2=0.44.

2 數(shù)值仿真及結(jié)果分析比較

2.1 面板厚度對變形的影響

取直柱半徑r=0.01m，夾芯層高度h=0.04 m，板長L=1.6m，寬B=1.6m，研究上下面板厚度變化對剛度的影響，計算結(jié)果如表1.

表1 面板厚度不同的計算結(jié)果Table 1 Calculation results of different panel thickness

根據(jù)計算結(jié)果(圖4)，可以看出，隨著面板厚度的增加，結(jié)構(gòu)的最大變形越來越小，且大致呈線性變化，即在同樣的條件下，面板厚度增大，剛度增大，且近似成正比.

圖4 變形與面板厚度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between deformation and panel thickness

2.2 夾芯層高度對變形的影響

文中，取上下面板厚度t=0.006 m，支柱的半徑r=0.01m，支柱數(shù)目為16根，板長L=1.6m，寬B=1.6m，改變夾芯層的高度，也就是改變中間聚氨酯芯層的高度，觀察結(jié)構(gòu)的變形情況.

表2是當(dāng)夾芯層高度發(fā)生變化時，最大變形相應(yīng)的計算結(jié)果.可以看出，當(dāng)夾芯層的高度改變時，變形情況也會隨之改變，因此夾芯層高度也應(yīng)作為影響結(jié)構(gòu)剛度的一個參數(shù).

表2 夾芯層高度不同的計算結(jié)果Table 2 Calculation results of different height of the core layer sandwiched

根據(jù)計算結(jié)果(圖5)可以看出，隨著夾芯層高度的不斷增加，結(jié)構(gòu)的最大變形越來越小，但減小的程度慢慢變小，也就是說，隨著夾芯層高度的增加，結(jié)構(gòu)剛度增加的程度變緩，因此考慮到質(zhì)量增加等方面帶來的問題，夾芯層的高度并不是越高越好，從圖5的變形趨勢來看，夾芯層高度一般選擇0.06～0.08之間為宜.

圖5 變形與夾芯層高度之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between deformation and the height of the core layer sandwiched

2.3 夾芯層高度不同時，填充聚氨酯的直柱型點陣結(jié)構(gòu)與聚氨酯夾層板、實體板相比較

文中研究相同質(zhì)量情況下，3種結(jié)構(gòu)的變形情況.取結(jié)構(gòu)面板厚度t=0.006 m，支柱半徑r=0.01 m，支柱數(shù)目為16根，當(dāng)填充聚氨酯的直柱型點陣結(jié)構(gòu)(以下簡稱復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu))的夾芯層的高度為 0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.12 m(即質(zhì)量為305.27，369.38，433.49，497.60，561.72，625.83 kg)時，分別計算相同質(zhì)量時復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)、聚氨酯夾層板、實體板3種結(jié)構(gòu)的最大變形.

聚氨酯夾層板結(jié)構(gòu)、實體板結(jié)構(gòu)的邊界條件與復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)相同，邊長亦相同，長寬均為1.6m，聚氨酯夾層板的上下面板與復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)上下面板的材料及尺寸相同，其夾芯層高度及實體板厚度通過質(zhì)量相同等效求得，如表3.

表3 聚氨酯夾芯層高度及實體板厚度值Table 3 Value of polyurethane core sandwich’s height and physical board’s thickness

根據(jù)軟件計算的3種結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果見表4.

表4 3種結(jié)構(gòu)的對比結(jié)果Table 4 Comparison results of the three structures

根據(jù)表4的計算結(jié)果，得到變形曲線對比圖(圖6)，從圖中聚氨酯復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)的變形曲線可以看出，隨著夾芯層高度的不斷增加，結(jié)構(gòu)最大變形減小，即剛度增大，但減小的程度變?nèi)酰虼丝紤]到質(zhì)量增加等方面帶來的問題，夾芯層的高度并不是越高越好，從圖中曲線的趨勢來看，結(jié)構(gòu)質(zhì)量在500～600kg之間為宜.

圖6 復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)與實體板、聚氨酯夾層板的變形曲線對比Fig.6 Comparison chart of deformation curve of composite structure，entities plate and polyurethane sandwich plate

對比3種結(jié)構(gòu)的變形曲線可以看出，復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)的最大變形要小于另外兩種結(jié)構(gòu)，也就是說其剛度性能優(yōu)于實體板和聚氨酯夾層板結(jié)構(gòu);另外，聚氨酯夾層板與復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)的變形情況比較相似，都是隨著質(zhì)量的增加，變形減小，且減小的幅度變緩，并且兩種結(jié)構(gòu)的性能趨于一致，相比之下，實體板的剛度性能要差得多.

3 結(jié)論

文中利用ANSYS有限元軟件計算結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng)，根據(jù)以上分析得出如下結(jié)論:

上下面板的厚度、夾芯層的高度對結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力有影響，且隨著上下面板厚度的增加、夾芯層高度的增大，結(jié)構(gòu)的剛度性能總的來說是越來越好的;直柱型點陣結(jié)構(gòu)填充聚氨酯材料的結(jié)構(gòu)形式，其抵抗變形的能力優(yōu)于單純的聚氨酯夾層板及實體板結(jié)構(gòu).

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