一種鋁蜂窩夾層結構仿真方法研究

李召富 馬龍 王萬靜 王曉軍

摘要：依據國家標準GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》中相關規定選取鋁蜂窩夾層結構目標樣件及計算載荷工況，并進行樣件彎曲剛度數值計算。采用Sandwich夾芯板理論建立兩種樣件有限元模型，通過不同的修正系數對模型進行修正，驗證數值計算與仿真分析的吻合性。

關鍵詞：鋁蜂窩；仿真方法；夾層結構

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.07.089

1引言

鋁蜂窩板具有輕量化、高強度、高剛度、優良隔音性能、隔熱、阻燃、減震、吸能、電磁屏蔽等優點，目前已在軌道交通、國防軍事、航空航天、建筑建材等工程技術領域廣泛應用。鋁蜂窩材料具有各向異性等材料性能，材料性能與其結構尺寸有關，為縮短研究周期、降低試驗成本、增加結構可靠性，對鋁蜂窩板進行仿真分析研究，并與數值經驗公式進行對比，驗證仿真合理性。

2計算工況及邊界條件

依據國家標準GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》中相關規定選取計算載荷工況，載荷施加與邊界條件見圖1，各個試樣的載荷選取依據《蜂窩地板三點彎曲試驗報告》，初始載荷為試樣破壞載荷的20%，30%，分別對每個試樣的Sandwich 4個模型進行計算，各試樣施加載荷情況參見表1。

3仿真建模參數

參照國標GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》中相關規定，選取2種鋁蜂窩夾層結構試樣，其中圖2為試樣三維模型，圖3為夾層結構尺寸示意圖，試樣具體尺寸和相關材料參數見表2。

3.1等效方法

采用Sandwich夾芯板理論僅對夾芯層作了正交各向異性簡化，計算量小且容易實現，參數計算方法如下：

l*為蜂窩胞元的邊長（mm）；

γ為修正系數，取決于加工工藝，一般取0.4～0.7；

E_x為等效板x方向彈性模量（MPa）；

E_x為等效板y方向彈性模量（MPa）；

G_xy為等效板xy方向剪切模量（MPa）；

G_xz為等效板xz方向剪切模量（MPa）；

G_yz為等效板yz方向剪切模量（MPa）。

3.2材料參數

依據Sandwich夾芯板等效理論，并參照不同的γ取值，計算得出夾芯層的等效參數參見表3、表4，Sand-wich夾芯板等效模型中面板的參數和夾芯層的厚度與真實模型相同。

4有限元模型

建立每個試樣Sandwich等效模型，采用Abaqus中的復合材料建模方法，采用殼單元，根據不同的材料屬性分別計算4次，圖4為有限元模型，表5為4種試樣有限元模型的具體數據。

5計算結果與分析

根據GB/T 1456—2005{夾層結構彎曲性能試驗方法》的夾層結構彎曲剛度理論值見表6，根據有限元計算結果并與進行比較，計算出誤差。

5.1試樣1計算結果

表7～表10為對試樣1的4種模型進行計算的位移結果，以及根據位移計算出的夾層結構彎曲剛度和相對理論彎曲剛度值的誤差，表中左側位移對應圖1中4點的位移，右側位移對應圖1中2點的位移，中間撓度對應圖1中3點的位移。

由計算結果可知，由Sandwich等效模型計算出的試樣1夾層結構彎曲剛度相對理論值的誤差為5.31%～5.35%。

5.2試樣2計算結果

表11～表14為對試樣2的4種模型進行計算的位移結果，以及根據位移計算出的夾層結構彎曲剛度和相對理論彎曲剛度值的誤差。

由計算結果可知，由Sandwich等效模型計算出的試樣2夾層結構彎曲剛度相對理論值的誤差為5.32%～5.37%。

6結論

對兩種鋁蜂窩夾層結構試樣分別采用Sandwich等效模型進行仿真計算，分別采用0.4，0.5，0.6，0.7四種系數對模型進行修正，仿真結果與GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》彎曲剛度理論值進行對比。試樣1的誤差為5.31%～5.35%，試樣2的誤差為5.32%～5.37%，其中γ=0.4時計算出的夾層結構彎曲剛度相對理論值的誤差最小。