一種鋁蜂窩夾層結構仿真方法研究

摘"要：鋁蜂窩復合板結構包括鋁蜂窩結構及上下面板，上下面板與鋁蜂窩結構通過膠接或焊接形成復合板結構，蜂窩結構是由極薄基材相互連接的胞元形成的結構體，相對來說六邊形鋁蜂窩應用最為廣泛，因其具有輕量化程度高、隔音性能好等優點。但鋁蜂窩復合板成型后，與其他部件接口設計困難，本研究提出一種鋁蜂窩接口結構設計方案，并通過有限元仿真，分析不同結構參數對性能影響程度。

關鍵詞：鋁蜂窩結構；有限元；應力集中；剛度；疲勞

中圖分類號：TB""文獻標識碼：A"""doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.14.081

1"鋁蜂窩板結構介紹

鋁蜂窩板結構由上面板、下面板及鋁蜂窩結構構成，鋁蜂窩芯與上下面板通過釬焊連接。鋁蜂窩復合板使用過程中，特定位置需提供其他部件連接接口，設計接口結構如圖1所示。

1.上面板;2.螺栓襯套a;3.螺栓襯套b;4.鋁蜂窩芯;5.吊掛螺栓;6.下面板;7.螺栓襯板

為驗證不同結構對強度影響，分別采用結構參數如表1所示：

鋁蜂窩吊掛件重量為23.7kg，使用過程考慮2.6m/s2振動加速度與自重加速度，螺栓吊掛點所承受拉力F為293.9N：

吊掛結構受力示意圖如圖2所示。

2"鋁蜂窩等效建模方法簡介

目前在國內外學術界已經對夾層結構的等效方法進行了廣泛研究，提出了一系列的等效理論。目前常用的等效理論有以下3種，等效板理論、蜂窩板理論和三明治板理論。

2.1"等效板理論

屬于一種靜態等效的方法，它將夾層結構的蒙皮、芯材等效為一張同材質、均勻密度但厚度不同于原來的各向同性板。

等效板理論是將整體夾層板等效為不同厚度的各向同性材料的板。該理論易于實現，理論和等效過程較為簡單。

圖3"夾層結構示意圖

等效板能夠承受縱向和橫向載荷，等效板的彈性模量為Eeq、泊松比為μeq、厚度為teq。作為彎曲板，假設滿足彎曲理論假設（Kirchhoff假設），則該板的彎曲剛度為：

DBeq=Eeqteq3121-μeq2（1）

作為平面應力板，它只承受面內的載荷，則其平面應力剛度為

Dpeq=Eeqteq1-μeq2（2）

2.2"蜂窩板理論

圖4"夾層和等效結構示意圖

蜂窩板理論是動態等效的一種，是以動力學方程為基礎，基于哈密頓原理，將整個蜂窩夾層板等效成等剛度、同尺寸的正交各向異性板，同時考慮了表層和夾層的面內和面外力學特性，推導出等效力學模型的等效力學參數。

夾層板橫截面上的位移是連續的，考慮到夾層板的對稱性，選取幾何中緬作為坐標中緬，線性小撓度情況下中緬的面內位移可以忽略，依照低階剪切理論，其橫截面位移應滿足：

ux，y，t=zφxx，y，tvx，y，t=zφyx，y，twx，y，t=wx，y，t（3）

式中，u，v和w為位移分量；φx和φy分別為中面外法線繞x軸和y軸的轉角。由哈

剛度系數的具體表達式如下。

ec11=11-μ2cxyEcx，ec22=11-μ2cxyEcy，ec12=μcxy1-μ2cxyEcxec44=Gcxy，ec55=Gcxz，ec66=Gcyzef11=ef22=11-μ2fEf，ef12=μf1-μfEfef44=Gf，ef55=ef66=kGf（4）

其中Ef、Gf、μf為表面板的彈性模量、剪切模量和泊松比，k為影響系數取0～1

2.3"鋁蜂窩結構仿真建模

根據鋁蜂窩結構，利用hyperworks軟件搭建有限元模型如圖3所示，其中鋁蜂窩夾芯、上下面板、螺栓襯板、螺栓襯套采用shell單元模擬，螺栓采用beam彈性梁單元模擬，梁單元截面直徑設置為6mm，螺栓與周邊孔單元采用rbe2剛性桿單元進行連接。

3"模型說明

3.1"坐標系定義

為了能夠準確描述加載方向，本文所涉及的坐標系方向，均以下面的定義為準。

橫向：鋁蜂窩芯材單倍壁厚的方向；

縱向：鋁蜂窩芯材雙倍壁厚的方向；

垂向：垂直面板的方向。

3.2"鋁蜂窩板材料參數及尺寸

鋁蜂窩板主要由面板和鋁蜂窩芯材通過釬焊焊接而成，材料參數及結構尺寸如表2所示：

4"仿真結果

針對鋁蜂窩吊掛結構不同結構方案，進行有限元仿真計算，根據計算結果分別提取整體應力、上面板應力及鋁蜂窩芯應力，見圖3-5所示。

5"結論

通過鋁蜂窩復合材料吊掛結構三種改進方案與方案一對比分析，結論如下：通過增加螺栓襯板厚度，對結構整體最大應力影響較小，同時，由于螺栓襯板與上面板厚度連接處剛度變化，引起應力集中，連接處應力增大，使用時該處易產生疲勞破壞，該方案重量增加最少；通過改變上面板厚度，對結構整體最大應力影響較小，螺栓襯板與上面板連接處應力大大減小，且鋁蜂窩芯應力降幅較大；增加鋁蜂窩芯厚度，對結構整體及組成零件應力影響較小，且重量增加較多；綜上所述，在滿足結構重量許可要求的條件下，方案三為優選方案。

參考文獻

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