異質金屬曲面夾層板上面板抗撞性能研究及多目標優化

甘代偉

（陜西國防工業職業技術學院，西安 710302）

異質金屬曲面夾層板上面板抗撞性能研究及多目標優化

甘代偉

（陜西國防工業職業技術學院，西安 710302）

異質金屬曲面夾層板具有優越的綜合性能（比剛度高、耐撞性、輕質等），在航空、航天、高速列車、船舶等領域得到廣泛應用。針對異質金屬曲面夾層板上面板，進行了碰撞載荷作用下的性能研究。采用有限元數值模擬的方法對碰撞過程中不同上面板參數夾層板的綜合性能進行數值求解計算，并利用響應面方法構建了上面板綜合指標近似函數，從而得到上面板參數對夾層板抗撞性能影響規律。

異質金屬曲面夾層板；抗撞性能；有限元；響應面

0 引言

金屬夾層板本質上屬于結構規則有序的超輕多孔材料，具有超輕質、高比剛度、高比表面積等特點，同時具有優良的抗沖擊、隔熱、隔音、吸能減震等性能[1,2]。因此，在航空航天、交通運輸、機械、建筑等領域獲得廣泛應用。異質金屬夾層板是由高強度的面板材料和低強度低密度的夾心材料組成，被廣泛的應用于車輛結構中。

國內外對異質金屬夾層板抗撞性能優化研究的不多，D.Karagiozova[3]等人利用有限元法分析了夾層結構在爆炸中的性能，結果表明，在夾芯結構一定時，傳到底面板的載荷大小取決于爆炸產生的載荷大小、夾芯的厚度和夾層板的彎曲剛度等；G.Belingardi[4]研究了高速列車頭部的夾層結構的碰撞性能，夾層結構的面板為玻璃纖維樹脂面板，夾芯為聚合泡沫，試驗結果表明夾層結構的碰撞性能主要依賴于泡沫夾芯材料的強度性能，在泡沫夾芯中增加一層樹脂墻可以增加夾層結構的抗沖擊性能；Patrick M.Schubel[5]評估了夾層結構在碰撞之后結構的殘余機械性能，結果顯示，夾層結構碰撞后產生的面板層分離對夾層板的承載載荷非常不利。吳存利等[6]將波紋板剛度輸入到MSC/NASTRAN材料卡中，并對波紋板結構進行有限元建模分析。同濟大學的王文斌[7]和大連交通大學的謝素明[8]對列車車廂夾層板的碰撞性能進行了優化研究，以吸能結構的壁厚作為設計變量，內能為目標函數，最終優化出吸能壁厚為3.5mm時，吸能最大。

研究發現夾層板結構的不同對其抗撞性能影響顯著，深入研究不同形狀夾層板對其抗撞性能的影響規律，對夾層板的優化設計有著重要意義。因此，本文以高鐵車體的車廂板為對象，研究了不銹鋼、鋁合金上面板和鋁合金夾芯組成的異質金屬曲面夾層的結構參數對其抗撞性能的影響規律，最后優化得到一組最優的夾層板參數，可以保證此結構夾層板有最好的抗撞特性。

1 異質金屬夾層板碰撞模型的建立

本文研究所采用的有限元模型先通過CAD軟件Pro/ E建模（如圖1所示），再轉換成通用格式iges文件導入ANSYS（如圖2所示）進行模擬計算。這樣做是因為ANSYS的建模過程較為繁瑣，影響工作效率，而且兩個軟件之間有專用的接口，模型導入的效果好。

圖1 Pro/E中建立的模型

1.1 模型參數的設計

本文所采用的異質金屬曲面夾層板所采用的模型是通過平面波紋板扭曲所得。參考高鐵車體兩車窗間側墻模型，平面波紋夾芯的尺寸大小為440×560×50mm，波紋頂角θ為85°，夾層板彎曲角度α，夾心層波紋材料為鋁合金厚度d為3mm，下面板材料為鋁合金厚度4mm，上面板由不銹鋼層和鋁合金層組成厚度2mm，其中鋁合金層厚度為t1，不銹鋼層的厚度為t2。模型如圖3所示，為了方便表示，曲面波紋夾層板的參數延用平面波紋板。

圖2 導入ANSYS后的模型

圖3 異質金屬夾層板示意圖

1.2 材料參數的設定及模型的網格劃分

材料參數取自文獻[9]。由于需要研究結構的彈塑性變形階段，因此建立材料模型時需要輸入材料的應力應變曲線。材料的應力應變數據如表1所示 。

模型劃分單元網格時選用SOLID 187單元，該單元為含中間節點的四面體單元，適用與曲面實體的網格劃分。模型網格劃分結果如圖4所示。

2 異質金屬曲面夾層板上面板抗撞性能結構優化

描述異質金屬夾層板抗撞性能指標主要有上面板中心在撞擊方向上的位移、速度、應力，以及結構的彈、塑性應變，結構的吸能，結構質量等。其中，結構的吸能表征了異質金屬夾層板總體吸能能力；中心點位移、結構的塑性應變表征了異質金屬夾層板局部最大抗變形能力；中心點應力表征了異質金屬夾層板，在碰撞中局部應力分布。

表1 異質金屬夾層板上面板選用材料的應力應變數據

圖4 有限元網格模型

以上四個指標對于異質金屬夾層板抗碰撞能力的描述，都有十分重要的意義。例如，當異質金屬夾層板最大變形超過某一極限時，將導致異質金屬夾層板結構的坍塌，不再具有異質金屬夾層板的特性。當異質金屬夾層板最大應力分布超過某一極限時，甚至可能導致異質金屬夾層板面板開裂、面板與夾芯結構焊接部位脫開。

2.1 上面板抗撞性能研究及綜合指標函數響應面法擬合

模型的參數設計使用2因素3水平的全因子實驗設計，即總共有9組模型。2因素分別為上面板鋁合金厚度t1和夾層板彎曲角度α，t1的下限取現有工藝能達到的最小值0.75mm，水平取0.25mm，即t1的范圍為0.75mm～1.25mm，保證上面板總厚度2mm。α的范圍取模擬中指標出現極值的范圍40°～60°，水平為10°。具體的分組編號及對應的參數如表2所示。

表2 異質金屬夾層板上面板模型編號及對應參數

模擬結果如表3所示。為綜合考慮曲面波紋夾層板的抗撞性，采用線性加權的方法將多目標優化轉化成單一綜合指標優化。本文針對板的抗撞性采用的線性加權函數為：

表3 異質金屬夾層板上面板抗撞性模擬結果

表4 異質金屬夾層板上面板抗撞性綜合指標結果

對結果采用二次響應面近似，可得綜合指標的近似函數：

2.2 上面板參數對夾層板抗撞性能的影響分析

根據式(2)可以得到上面板綜合指標與2個變量的響應面關系曲面如圖5所示。由圖5可以發現隨著不銹鋼厚度的增加，異質金屬夾層板抗撞性能隨之提高，對局部最大應力的改善有顯著效果。因為有高強度不銹鋼面板覆蓋在夾心鋁板上，保證夾心鋁板承受面載荷，所以在加載過程中上、下面板基本沒有塑性變形，塑性變形主要發生在支撐脊的位置，同時不銹鋼面板層厚度的增加，延遲夾心鋁板的塑性變形。夾層板曲角度對抗撞性能的影響不大，且在40°～60°時會發生畸變。

圖5 異質金屬夾層板上面板抗撞性綜合指標/結構變量響應面

3 結論

本文針對異質金屬曲面夾層板上面板，進行了碰撞載荷作用下的性能研究。采用有限元數值模擬的方法對碰撞過程中不同上面板參數夾層板的綜合性能進行數值求解計算，并利用響應面方法構建了上面板綜合指標近似函數，從而得到上面板兩個參數t1、α對夾層板抗撞性能影響規律。

研究發現：

1）隨著上面板彎曲角度的增大，抗撞性綜合指標先增大后減小，在彎角為52°時達到峰值。

2）隨著不銹鋼厚度的增加，異質金屬夾層板抗撞性能隨之提高，對局部最大應力的改善有顯著效果；隨著鋁合金厚度的增大，抗撞性綜合指標先減小后增大，在不銹鋼層厚度為0.99，鋁合金層厚度為1.1mm時取最小值。

參考文獻：

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Investigation on the crashworthiness properties and multi-objective optimization of panel on heterogeneous metal curved sandwich board

GAN Dai-wei

TH142

：A

：1009-0134(2017)05-0098-03

2017-03-30

甘代偉（1983 -），男，福建寧德人，講師，工程碩士，研究方向為異質金屬曲面波紋夾層板。