蜂窩鋁輕質夾芯結構的面外壓縮性能研究

摘 要：【目的】蜂窩鋁輕質夾芯結構是一種外層為鋁板、中間為鋁蜂窩芯的三明治結構。因其優良的力學特性，在航空、汽車等領域得到廣泛應用。為改善蜂窩鋁輕質夾芯結構的力學性能，對面外壓縮性能進行研究?！痉椒ā渴褂糜邢拊M法探討孔棱邊長、孔壁厚度、芯板高度和面板厚度對面外壓縮性能的影響。【結果】研究表明，蜂窩鋁輕質夾芯結構的抗壓性能隨孔棱邊長增加而降低，壓縮性能隨孔壁厚度增加而提升，面板厚度對夾芯結構壓縮性能基本無影響?！窘Y論】蜂窩鋁輕質夾芯結構的面外壓縮性能與孔棱邊長和孔壁厚度有關，與面板厚度無關。

關鍵詞：蜂窩鋁輕質夾芯結構；面外壓縮性能；有限元模擬

中圖分類號：O3" " " " " " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：1003-5168（2023）12-0043-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.008

Study on the Out-of-plane Compression Performance of Honeycomb Aluminum Lightweight Sandwich Structure

WANG Haijiao1" " TAN Xueyou1" " WU Huairong2" " WEI Junchang2

（1.Guangxi University of Science and Technology， School of Innovation and Entrepreneurship，

Liuzhou 545006， China; 2.Guangxi University of Science and Technology， School of Mechanical and

Automotive Engineering， Liuzhou 545006， China）

Abstract： [Purposes] The honeycomb aluminum lightweight sandwich structure is a sandwich structure with an outer layer of aluminum plate and an aluminum honeycomb core in the middle. Due to its excellent mechanical properties， honeycomb aluminum lightweight sandwich structure has been widely used in aviation， automobile and other fields.In order to improve the mechanical properties of honeycomb aluminum sandwich structures， its out-of-plane compression performance were studied. [Methods] This study discusses the effects of hole edge length， hole wall thickness， core plate height， and panel thickness on the out-of-plane compressive performance through finite element simulation." [Findings] The research shows that the compressive performance of sandwich structures decreases with the increase of hole edge length; The compression performance of sandwich structure increases with the increase of hole wall thickness; The thickness of the panel has no effect on the compression performance and deformation process of the sandwich structure. [Conclusions] The out-of-plane compression performance of sandwich structures is related to the hole edge length and hole wall thickness， but not to the panel thickness.

Keywords： honeycomb aluminum light weight sandwich structure; out-of-plane compression performance; finite element simulation

0 引言

蜂窩鋁輕質夾芯結構是一種三明治結構，其外層為鋁板、中間為鋁蜂窩芯，三者由黏合劑黏結在一起。鋁蜂窩芯的特性決定該結構的重量非常輕，但又具有很高強度和剛性，能承受高載荷和抗震能力。此外，蜂窩鋁輕質夾芯結構具有良好的隔熱性和耐腐蝕性，可在惡劣環境下長期使用。蜂窩鋁輕質夾芯結構在航空、汽車、鐵路等領域中的應用非常廣泛，可用于制造飛機、高速列車、汽車車身等［1-5］。

蜂窩鋁輕質夾芯結構具有優異性能，成為研究熱點。近年來，國內外研究人員一直對蜂窩鋁輕質夾芯結構進行研究，并取得了許多成果。Burlayenko等［6］使用ABAQUS對空心蜂窩芯板和泡沫填充芯板進行分析，比較兩者間的芯板承載能力及固有頻率。Wang等［7］通過三點彎曲試驗和面板剝離試驗來研究蜂窩夾芯板芯層厚度及密度對整體材料性能的影響。喬及森等［8］通過試驗與有限元相結合的方法，對梯度鋁蜂窩夾芯板的壓縮性能進行研究。趙錢［9］通過試驗結合有限元仿真的方式，研究有缺陷蜂窩夾芯結構的靜力學特性，得出不同工況下的疲勞壽命數據。

從研究現狀來看，蜂窩鋁輕質夾芯結構在各個細分領域的應用研究較為深入，但在蜂窩鋁輕質夾芯結構基本結構參數對壓縮性能影響方面的研究并不多。因此，本研究給出一種以蜂窩鋁為芯子的輕質夾芯結構，對其面外壓縮性能進行有限元模擬分析。通過改變結構參數尺寸，研究孔棱邊長、孔壁厚度、芯板高度和面板厚度對結構面外壓縮性能的影響規律。

1 有限元模型

使用ABAQUS軟件建立一種以蜂窩鋁為芯子、鋁合金為面板的輕質夾芯結構的有限元模型，設置載荷與邊界條件，如圖1所示。根據主要研究內容，對蜂窩鋁輕質夾芯結構中芯板高度、孔棱邊長、芯板壁厚、面板厚度4個基本結構參數進行逐一改變，共建立9個模型，設置4組對比分析，研究結構參數對結構力學性能的影響。9個模型中芯板長寬尺寸均為30 mm、面板長寬尺寸均為40 mm，所有模型均使用相同的接觸設置、邊界條件及其他參數設置。模型的具體尺寸見表1。

2 有限元模擬結果分析

對Y1壓縮有限元模擬分析模型進行求解，所得載荷—位移曲線如圖2所示。由圖2可以看出，載荷—位移曲線整體上可分為三個部分，即線彈性形變階段、塑性變形階段及壓緊密實階段。將圖中曲線對應到實際變形中可知，在加載開始后的一段時間內，載荷隨位移增加而上升，表明各個模型都處于線彈性形變階段。當曲線經過第一個峰時，載荷隨位移增加而下降，表明從此時開始模型處于塑性變形階段，可將這個峰對應的載荷稱為屈服載荷（初始坍塌載荷）。此后載荷隨位移增加一直緩慢下降，在曲線中表現為一段類似平臺一樣的曲線，表示模型在進行持續的塑性變形。到達某一程度后，模型載荷又開始隨位移增加而增加，且趨勢越來越陡，表明模型的塑性變形已經結束，芯板逐漸被壓緊，整個模型進入密實階段。

2.1 孔棱邊長對壓縮力學性能的影響

為更好地研究孔棱邊長對蜂窩鋁輕質夾芯結構壓縮力學性能的影響，將Y1、Y2、Y3三個模型設為一個對照組，對照組孔棱邊長參數信息見表2。

3個模型的載荷—位移曲線對比如圖3所示。

從圖3可以看出：3個載荷—位移曲線趨勢相同，表明3個模型各項參數正常，無明顯錯誤；隨著孔棱邊長增加，其屈服載荷明顯變小，表明孔棱邊長對蜂窩鋁輕質夾芯結構面外壓縮性能產生影響。通過查閱數據，得到3個模型的屈服載荷數據見表3。由表3可知，相較于Y1模型，Y2、Y3模型屈服載荷分別減少17.804 7 kN、42.029 7 kN，分別下降18.1%和42.8%；3個模型的塑性變形階段的平臺區域均在2～9 mm，表明孔棱長度對變形破壞過程造成的影響較小。

綜上所述，得到蜂窩鋁輕質夾芯結構性能隨孔棱長度變化的相關性質，即孔棱邊長越長，夾芯板的承載性能越差。

2.2 孔壁厚度對壓縮力學性能的影響

為更好地研究孔壁厚度對整體壓縮性能的影響，將Y1、Y4、Y5這3個模型設為一個對照組，3個模型的孔壁厚度參數見表4。

3個模型的載荷—位移曲線對比如圖4所示。

通過觀察圖4可知：3條載荷—位移曲線趨勢相近，表明3個模型各項參數設置正常，無明顯錯誤；隨著孔壁厚增加，其屈服載荷越來越大，表明隨著芯板孔壁厚增加，承載能力得到提升。通過查閱數據，得到3個模型屈服載荷數據見表5，由表可知，相較于Y1模型，Y4模型的屈服載荷減少43.489 kN、下降44.3%，Y5模型的屈服載荷提高46.722 7 kN、提升47.6%；3條載荷曲線的屈服階段平臺區域相近，均為2～9 mm，這說明芯板孔壁厚對模型變形過程基本無影響。

綜上所述，得到輕質夾芯結構隨孔壁厚度變化性質，即隨著孔壁厚度的增加，模型的承載能力也隨之增加，孔壁厚度的改變對模型的變形過程基本沒有影響。

2.3 芯板高度對壓縮力學性能的影響

將Y1、Y6、Y7這3個模型設為一個對照組，其模型芯板高度參數見表6。

不同芯板高度下的載荷—位移曲線如圖5所示。

由圖5可知，3個載荷—位移曲線趨勢相近，表明各模型參數設置無異常，無明顯錯誤；3個模型結構屈服前所能承受的最大載荷相近，均在100 kN左右，表明芯板高度對結構的承載能力基本無影響；盡管3個模型在結構屈服前所能承受的最大載荷相近，但達到最大載荷所需的位移不同，表明芯板高度會對變形過程產生影響。若不同芯板高度的夾芯結構在同樣的加載速度下，芯板高度越大，達到相同變形程度所需時間越長。

2.4 面板厚度對壓縮力學性能的影響

將Y1、Y8、Y9這3個模型設為一個對照組，其面板厚度參數見表7。

不同面板厚度下的載荷—位移曲線如圖6所示。由圖6可知，3條曲線幾乎重合在一起，表明面板厚度對夾芯結構的壓縮力學性能及承載變形過程基本沒有影響。

3 結語

本研究通過有限元模擬法研究各個結構參數對蜂窩鋁輕質夾芯結構面外壓縮力學性能的影響。結果表明：芯板的孔棱邊長對結構面外壓縮力學性能有影響，對結構變形過程無影響。相較于Y1模型，Y2、Y3模型屈服載荷分別減少17.804 7 kN、42.029 7 kN，下降18.1%、42.8%，表明孔棱邊長越長，其抗壓能力越差；芯板孔壁厚度對結構面外壓縮力學性能有影響，對變形過程基本無影響。相較于Y1模型，Y4模型的屈服載荷減少43.489 kN、下降44.3%，Y5模型的屈服載荷提高46.722 7 kN、提升47.6%。這表明孔壁厚度越厚，其抗壓能力越好。芯板高度對結構面外壓縮力學性能基本無影響，對變形過程有影響；面板厚度對結構壓縮力學性能及變形過程基本無影響。

參考文獻：

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