芯子缺失對蜂窩板側(cè)壓力學(xué)性能的影響研究

夏明凱

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)被越來越多的使用在要求輕質(zhì)的運輸系統(tǒng)上，如衛(wèi)星、航天器、高速鐵路、快速汽艇等。通過使用輕且具有彈性的芯子來分離重且剛度大的面板而產(chǎn)生的一種理想結(jié)構(gòu)來承擔(dān)使用過程中的彎曲載荷［1］。對于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面板可能使用的材料有鋁合金，高延展性的鋼，鈦或者復(fù)合材料，這取決于所使用的環(huán)境和要求。同樣，芯子的形狀和材料的選擇也是多樣化的。其中，由薄片組成的垂直于面板的正六角形蜂窩芯子是最常用的一種結(jié)構(gòu)形式［2］。

國內(nèi)外很多學(xué)者對蜂窩板的側(cè)壓力學(xué)性能做過研究，周祝林［3］對碳纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強度進行了理論計算。彭明軍［4］對鋁蜂窩板沿平行雙倍壁板方向和垂直于雙倍壁板方向的側(cè)壓強度和破壞模式進行了研究。Paik［2］利用實驗的方法對蜂窩芯子壁厚度和蜂窩芯子高度對鋁蜂窩板的側(cè)壓強度的影響做出了研究。劉智良，程小全［5］通過實驗對含不同形狀分層缺陷的蜂窩夾層板的側(cè)壓性能做了研究。本文運用數(shù)值模擬的方法對蜂窩芯子脫焊缺陷對金屬蜂窩夾層板側(cè)壓強度和破壞模式的影響進行了研究。

1 模型準備

1.1 金屬蜂窩板結(jié)構(gòu)和方向定義

本文所使用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的尺寸為hc=4mm，hf=0.25mm，t=0.076mm，l=4mm。材料為高溫合金haynes214。蜂窩板結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 金屬蜂窩板結(jié)構(gòu)圖

1.2 建立模型

蜂窩板的共面力學(xué)性能測試的國家標(biāo)準GB/T1456－2005要求試件的長度和寬度范圍內(nèi)至少包含4個以上完整的單胞。本文中所用的正六邊形蜂窩板的單胞邊長和高度均為4mm，所以試件的長度和寬度需要大于40mm，有限元模型長度為84mm，寬度為50mm，厚度為4.6mm。

2 芯子雙層壁板缺失的y 方向力學(xué)性能究

2.1 計算結(jié)果

芯子缺失的位置為所建立模型的與y 向垂直的中間截面上，芯子缺失的方式為對稱性缺失，本文建立了五種不同缺失比例的蜂窩板模型，缺失比例分別為0%，25%，50%，75%，100%，計算結(jié)果如圖2 所示。不同缺失比例下的側(cè)壓強度值如表1 所示。由圖2 知不同芯子缺失比例蜂窩板的彈性階段基本重合，說明芯子缺失不會改變蜂窩板的彈性模量。但是隨著芯子缺失比例的增大，塑性變形增強特性逐漸變差。達到側(cè)壓強度后迅速進入局部失穩(wěn)階段，蜂窩板發(fā)生失效。由表2 知，當(dāng)芯子缺失的比例超過50%的時側(cè)壓強度明顯衰減。

圖2 含芯子缺失缺陷蜂窩板的側(cè)壓應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 不同芯子缺失比例下的蜂窩板的側(cè)壓強度

2.2 破壞機理分析

由圖2 知金屬蜂窩板的失效過程共經(jīng)歷了三個階段，彈性變形階段，塑性變形增強階段以及局部失穩(wěn)階段。彈性變形階段，蜂窩芯子的雙層壁板發(fā)生彈性屈曲，在彈性階段的末期，與雙層壁板相焊合的面板區(qū)域和蜂窩孔內(nèi)的面板區(qū)域出現(xiàn)輕微的軸向外凸，隨著彈性形變的逐步增大，這些區(qū)域凸凹交錯，沒有規(guī)律。塑性變形增強階段，隨著塑性變形的增大，這些區(qū)域仍然是內(nèi)凹相間，而蜂窩芯子的雙層壁板發(fā)生塑性屈曲。局部失穩(wěn)階段，隨著塑性應(yīng)變的進一步增大，蜂窩芯子某一橫截面上的雙層壁板被拉服或者被壓服，面板凸起和凹陷相間，接著雙層壁板在載荷方向上被壓服，于是應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)波動，材料發(fā)生破壞，破壞外觀形貌如圖3所示。

圖3 y 向側(cè)壓破壞模式圖

3 結(jié)論

在y 方向的壓縮載荷作用下，芯子缺失不會改變金屬蜂窩板的壓縮彈性模量，蜂窩板某一橫截面上芯子缺失比例超過50%的時候，側(cè)壓強度明顯衰減。在壓縮載荷作用下的蜂窩芯子雙層壁板受到面板的拉伸或者壓縮，直至載荷增大到被拉伸屈服和壓縮屈服，蜂窩板發(fā)生失效，外觀形貌為面板凸起和內(nèi)凹相間，芯子被壓潰。

［1］F.Mujika，J.Pujana，M.Olave.On the determination of out－ of－ plane elastic properties of honeycomb sandwich panels［J］.Polymer Testing.2011，30(2):222－228.

［2］Paik J K，Thayamballi A K，Kim G S.The strength characteristics of aluminum honeycomb sandwich panels［J］.Thin－Walled Structures.1999，35:205－231.

［3］Zhou Zhulin.Calculation of edge compression strength of CFRP sandwich construction with honeycomb of CFRP［J］.Fiber Compos，2001，18(2):29－30.

［4］彭明軍，孫勇，段永華等.釬焊蜂窩鋁板側(cè)壓變形模式分析研究［J］.材料導(dǎo)報:研究篇，2010，24(3):75－77.

［5］劉智良，程小全，胡仁偉等.含不同分層缺陷蜂窩夾層板的壓縮性能［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2009，26(5):153－158.