金屬蜂窩夾層結構彎曲性能分析

楊宇

【摘 要】本文通過力學實驗和有限元模擬方法研究了金屬蜂窩夾層結構的靜態力學性能。通過三點彎曲試驗分析了不同結構參數下的破壞模式；通過有限元方法模擬了不同面板厚度、不同焊接角度的蜂窩夾層結構的彎曲性能。

【關鍵詞】蜂窩夾層結構；彎曲；有限元

【Abstract】This paper aimed to study the superalloy honeycomb sandwich structures. The out-planethree-point bending behavior are investigated by experimental method and FEM. The failure mode are obtained by experiments； The finite element method is used to analyze the impacts of the panel thickness and welding angle on the mechanical properties.

【Key words】Honeycomb sandwich structure；Three-point bending；Finite element simulation

0 前言

蜂窩夾層結構具有比強度高、比剛度大等優點，因而在衛星、飛機、輪船、汽車、橋梁建造等領域被廣泛的應用并不斷快速增長。由于蜂窩夾心結構的復雜性和設計的多樣性，在研究其力學性能時一開始就對其進行比較系統詳盡的分析存在較大的困難。出于計算效率的原因，在分析蜂窩夾芯結構人們更傾向于將其等效成為板或是殼模型，而并非去考慮其真實的微觀結構。目前人們對蜂窩夾芯等效參數的確定大多都是基于Gibson和ashby[1]的研究工作。富明慧，尹久仁[2]和王穎堅[3]在Gibson和Ashby的基礎上分別考慮了蜂窩壁板的伸縮變形的影響和蜂窩壁彎矩的作用，對Gibson公式作了適當的修正。Chang和Ebcioglu[4]以及Kelsey[5]等在對六邊形蜂窩格子的有效地橫向剪切模量進行了開創性的工作，后人[6-10]又對六邊形和其他二維的多孔結構的有效彈性常數的研究大量的研究工作。

1 金屬蜂窩夾層結構的三點彎曲試驗

蜂窩夾層結構在承受三點彎曲載荷時，結構的上面板和下面板分別承受拉伸和壓縮載荷作用，而蜂窩芯子主要承受的是剪切載荷，并且在壓頭附近的局部區域承受平壓載荷作用。圖1給出了蜂窩夾芯結構在彎曲載荷作用下的破壞過程，在彎曲在載荷作用下，由于面板相對于芯子厚度較大，所以在整個加載過程中，面板沒有出現致命性的破壞模式。結構主要有芯子屈曲破壞、芯子分層破壞以及芯子剪切破壞等幾種破壞模式。加載過程中蜂窩芯子首先出現屈曲變形（如圖1（a）所示）緊接著在壓頭附近出現屈曲破壞以及面板的皺曲、芯子屈曲（如圖1（b）所示）或是芯子的剪切破壞（如圖1（c）所示）直至結構達到整體失效。

（a）面板厚度0.12mm （b）面板厚度1.0mm

通過測試不同面板厚度的蜂窩夾層結構的彎曲性能，我們發現面板厚度不同，結構的破壞模式也不盡形同。對比破壞形態圖2可知，當面板厚度較薄時，由于蜂窩芯子的約束作用，上面的薄板較容易受壓屈曲，發生屈曲破壞，因而導致最終的整體破壞，當面板厚度較大時，上面板雖然也受壓縮載荷的作用，但是由于厚度較大，不易發生屈曲破壞，因此結構最終破壞模式主要以芯子破壞為主。

2 金屬蜂窩夾層結構的彎曲性能數值模擬

2.1 計算模型

有限元模型：

應用ABAQUS有限元軟件，采用ABAQUS自帶的金屬延性損傷模型對蜂窩夾層結構的側壓力學性能進行數值模擬。本文中的所使用的蜂窩夾層結構的數值模型如圖3所示。

2.2 面板厚度對彎曲性能的影響

2.2.1 破壞形態

本小節探究了不同面板厚度對結構彎曲力學性能的影響，模擬計算了0.12mm、0.24mm、0.50mm和1.0mm四種不同面板厚度的的彎曲響應。圖4列出不同面板厚度的結構破壞形態，可以看出隨著面板厚度的增加，面板屈曲現象會逐漸減弱乃至最后消失，并且面板厚度越薄越易屈曲，這與圖2所示的試驗結果一致。

2.2.2 載荷位移曲線

不同面板厚度的載荷-位移模擬結果如圖5和表1所示。隨著面板厚度的增加，結構的承載能力也隨之增加。面板厚度較大時，其對彎曲最大載荷隨厚度的變化較平緩，在面板厚度較小時，面板厚度對最大載荷的影響較為突出，這主要是因為，當面板厚度較小時，加載過程中面板非常容易出現局部屈曲的破壞模式，根據Allen[11]模型可知面板是承受彎曲載荷的主要結構，因而面板的屈曲會顯著地影響結構的承載能力，而面板厚度較大時，則不會出現局部破壞的現象，所以在面板厚度達到一定之以后，極限載荷變化相對平緩。

2.3 焊接角度對彎曲性能的影響

2.3.1 破壞形態

本小節探究了不同焊接角度對結構彎曲力學性能的影響，模擬計算了90、80、70和60四種焊接角度的的彎曲響應。圖6列出不同焊接角度結構的破壞形態。由圖6可以看出，由于傾斜的芯子在受力時會容易對面板產生壓縮效應，所以有一定傾斜角度的結構上面板會更容易發生屈曲，與垂直焊接最大不同的是，有一定傾斜角的結構是在上面板處破壞。

2.3.2 載荷位移曲線

不同焊接角度的載荷-位移模擬結果如圖7和表2所示，可以看出焊接角度對彎曲性能在線彈性階段的影響并不是非常明顯，則主要是因為在彎曲載荷的作用下，芯子結構主要起到一個支架的作用，本身并不承受太大的載荷，因而在改變芯子結構的時候只要不改變芯子的有效高度，結構的承載能力并不會受較大影響。對比發現不同的焊接角度對結構的彎曲強度有一定影響，焊接角度為70 度時結構承載能力最弱。

3 結論

3.1 通過力學性能測試，得到了夾芯結構在彎曲載荷下的破壞形貌、不同面板厚度的結構的破壞模式的差異以及幾種主要破壞模式（包括面板局部屈曲破壞、塑性變形、芯子屈曲破壞、芯子分層破壞以及芯子剪切破壞）；

3.2 通過數值模擬分析可知：隨著面板厚度的增加結構承載能力加強，且承載能力隨厚度非線性變化；不同的焊接角度對結構的線彈性性能影響較小，焊接角度為70度時結構承載能力最弱。

【參考文獻】

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[責任編輯：曹明明]