不同形狀芯材的蜂窩壁板平面壓縮性能研究

劉奕辰+張勇+王曉成+陸思曉+胡增榮

摘 要：蜂窩板材一般是由上、下面板和中間具有一定空間結構的軟夾芯構成。蜂窩芯單元的形狀有正六邊形、矩形、菱形、三角形和復合型等。蜂窩材料是典型的多胞材料，具有良好的抗壓特性。文章使用Solidworks中的simulation模塊對不同形狀芯材的蜂窩板進行有限元分析，研究不同形狀的蜂窩芯在胞壁厚度與面板厚度相同的情況下的平面壓縮性能。仿真結果表明，不同形狀蜂窩芯的性能有較為明顯的差別。在工業中，恰當地選擇蜂窩芯的形狀可以既滿足設計要求又能節約成本。

關鍵詞：平面壓縮性能；Solidworks仿真；蜂窩材料

中圖分類號：TB31 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0049-02

多孔金屬材料具有很好的平面壓縮性能，所以，它可以用來制造結構板、內外表板等。很多研究者對蜂窩壁板材料進行了深入研究，并取得了一定研究成果。如張新春，劉穎等對正三角形蜂窩、正六邊形蜂窩、Kagome蜂窩三種蜂窩芯形狀的蜂窩板進行了沖擊性能試驗，主要探究壁板對沖擊能量的吸收能力；董彥鵬，呂振華等基于蜂窩材料結構進行了夾層結構抗爆炸沖擊特性優化設計分析有限元模擬，研究了蜂窩材料在受到高強度沖擊載荷時其胞壁結構發生彈性和塑性變形同時對沖擊能量的吸收；張大軍，余同希等研究了蜂窩材料面外受壓時初始彈性失穩載荷的計算，通過公式驗證了任意尺寸蜂窩的失穩載荷；林曉虎，楊慶生在航空航天夾層結構抗沖擊性能的研究現狀中闡述蜂窩芯胞元形狀對蜂窩材料的動力學性能的影響，總結了蜂窩壁板上應力和位移隨沖擊速度的增加而產生的變化；沈真等建議使用拐點附近的性能建立復合材料層壓板抗沖擊性能的評定體系，即可以用表面層在受力下保持其完整性的最大能力（最大接觸力）來表征復合材料體系的損傷阻抗（韌性）；周彬等對不同材質的鋁蜂窩進行了平面壓縮和三點彎曲性能研究，驗證了不同的材質對蜂窩壁板的力學性能有較大的影響；何強，馬大為等對功能梯度蜂窩材料的面內沖擊性能及其他力學性能進行了研究。

本文基于Solidworks軟件的分析模塊，對并不同種類的蜂窩壁板材料進行平面壓縮性能模擬和對比。

1 Solidworks仿真

通過Solidworks軟件建立蜂窩板的模型，通過simulation進行有限元分析。為了簡化分析，采用均布載荷進行仿真分析。

材料是6061鋁合金。蜂窩板模型尺寸為500mm×500mm，厚度為20mm。兩側面板厚度為2mm，中間的蜂窩芯厚度為16mm，單側胞壁厚度為1mm，胞壁面板厚度比值為0.5。常規形狀的蜂窩芯的體積為0.00044149m3，面板體積為0.0005m3，密度為2700kg/m3，因此總質量為3.89kg。

平面壓縮模擬具體設置如下：壁板上表面受1.52×106N的均布載荷，即壓強為6.08MPa，壁板下底面進行固定約束。

2 仿真分析結果及討論

不同蜂窩芯壁板平面壓縮模擬結果：

在相應的載荷作用下，模擬得出最大應力5.515×107N/m2，最大合位移0.0124mm，最大應變為6.58193×10-4。

蜂窩壁板在仿真后的等效應力分布如圖1a所示，可以看出，蜂窩壁板面內的應力分布較為均衡。此外，在蜂窩壁板受力后，應力自壁板中心層向兩面逐一遞減。通過探測得知，壁板中心截面處應力最大，其值約為5.515×107N/m2。

蜂窩壁板在仿真后的最終等效位移如圖1b所示，蜂窩壁板的形變和普通的實心板相似，都呈現均勻下移的等效位移。由于芯層為空心結構，相對變化較大。壁板的上面板位移量最大，其值約為0.0124mm，下面板受到固定處最小，值為0mm。

3 其他蜂窩壁板模擬結果

狹義上的蜂窩通常指六角變形，廣義地說蜂窩芯結構可分為以下幾種類型：六角形蜂窩、菱形蜂窩、矩形蜂窩、三角形蜂窩、Kagome蜂窩、圓形蜂窩等。

以下對這幾種形狀的蜂窩芯分別進行仿真分析與對比。

3.1 三角形蜂窩芯

為了便于比較，模型采用和正六邊形蜂窩壁板相同的胞壁與面板比值k（k=0.5），在同樣規格的壁板上受1.52×106N的力，并模擬實際情況將壁板下底面進行固定（下文其余形狀蜂窩芯均采用此條件）。蜂窩芯采用正三角形結構，邊長40mm，單側胞壁厚度為1mm。其總體積為0.00166711m3，密度為2700kg/m3，總質量為4.5012kg。在相應的載荷作用下，模擬得出最大應力3.727×107N/m2，最大合位移0.0083mm，最大應變為4.615×10-4。

蜂窩壁板在仿真后的效果通過分析可以得出，正三角形蜂窩壁板的應力分布與位移變化與六邊形蜂窩芯大體一致，相對來說位移的變化量較小。由于正三角形蜂窩芯算是在六邊形的基礎上增加受力梁，再加上是三角形結構相對穩定，抗壓性能相對好些，受到壓力時形變量較小，但所用材料相對較多。

3.2 矩形蜂窩芯

模擬繪制矩形蜂窩壁板，蜂窩芯采用正四邊形結構，邊長20mm，單側胞壁厚度為1mm。其總體積為0.00176m3，密度為2700kg/m3，總質量為4.752kg。在相應的載荷作用下，模擬得出最大應力2.765×107N/m2，最大合位移0.00721mm，最大應變為3.82783×10-4。

正四邊形蜂窩壁板的應力分布與位移變化也與六邊形蜂窩芯大體一致。其最大應力相比較小，整體承受較為均勻的載荷，但所用芯材多出近一倍。

3.3 菱形蜂窩芯

模擬繪制菱形蜂窩壁板，蜂窩芯采用內角為60度的菱形結構，邊長20mm，單側胞壁厚度為1mm。其總體積為0.001871069m3，密度為2700kg/m3，總質量為5.05189kg。在相應的載荷作用下，模擬得出最大應力2.752×107N/m2，最大合位移0.00632mm，最大應變為3.4722×10-4。

菱形蜂窩壁板的應力分布與位移變化與矩形蜂窩壁板非常相近。菱形蜂窩芯算是特殊的四邊形，相比較正四邊形，其同等材料下所圍成幾何圖形的面積較小，從而在同一塊空間內所需材料較多。相對的，它的力學性能比矩形蜂窩性要好，位移量略低于矩形芯材。但這兩種蜂窩芯有一個共同點，就是它們的對抗切應力的能力較弱，特別在四周區域內，其最小應變同比較大，以至于受到不垂直于面板的力時，性能不理想。

3.4 圓形蜂窩芯

為了使其質量與六邊形蜂窩大體一致，蜂窩芯采用直徑87mm的圓形結構，單側胞壁厚度為1mm。其總體積為0.001446647m3，密度為2700kg/m3，總質量為3.906kg。經過運算分析后，Solidworks生成運算圖解。在相應的載荷作用下，模擬得出最大應力4.7958×107N/m2，最大合位移0.00958mm，最大應變為5.39529×10-4。

圓蜂窩壁板的應力分布與位移變化較其他幾種蜂窩芯材質有所區別。由于胞壁并不是平面，再加上單個胞元之間不呈現固定胞壁厚度，其平面上的應力分布較為不均。因胞壁較厚，可以承受較大壓力，在同等材料質量的前提下，圓形蜂窩壁板位移變形也相對較小。由于圓形結構在切面上受力相對穩定，力學性能較為突出，因此承受切向上的力時不易變形。

3.5 Kagome蜂窩芯

模擬繪制菱形蜂窩壁板，蜂窩芯采用Kagome結構。Kagome蜂窩是一種較為新型的復合蜂窩芯合成的蜂窩壁板，綜合了六邊形和三角形結構，其各種邊的邊長為20mm，單側胞壁厚度為1mm。其總體積為0.001661359m3，密度為2700kg/m3，總質量為4.48567kg。在相應的載荷作用下，模擬得出最大應力4.28×107N/m2，最大合位移0.01243mm，最大應變為6.15693×10-4。

其仿真結果大致相似。在質量略大于六邊形蜂窩壁板的情況下，其最小應變同比非常低。由于附帶三角形結構，加強了整體的穩定，其最大位移相對減少，整體變形量相比六邊形較低。由于單各胞元結構的不同，其受力后應力分布不均，導致了質量相同的Kagome蜂窩在受到線性增長壓力后，會先于正六邊形蜂窩壁板產生塑性變形，同比抗壓的能力較弱。

4 結束語

本文研究了各種蜂窩芯類型的蜂窩壁板的平面壓縮性能。通過Solidworks建模以及simulation分析了各種蜂窩壁板受力后的等效應力，位移和應變，得到了相應的數據。如匯總的表1所示，可以得出以下結論：

（1）在蜂窩壁板受力后，應力自壁板中心層向兩面逐一遞減，等效應力在同一平行與面板的截面內分布較為均勻。蜂窩壁板的形變和普通的實心板相似，都呈現較為均勻的位移。

（2）相對于其他形狀的蜂窩芯，常規六邊形蜂窩板平面壓縮性能較好，其所用材料少，應變較低。

（3）圓形蜂窩板，在承受壓力后的位移變化量比同等質量下的多邊形蜂窩小，整個壁板抗壓屈服強度也較高。雖然制造緊密排布圓形蜂窩板時用材較多，但圓形蜂窩芯抵抗切應力的能力突出，承重能力強，若能不考慮材料質量，可以選擇圓形的蜂窩芯。

（4）由表1還可以看出，芯質量與最大應力近乎成反比關系，與壁板的屈服應力成正比。