泡沫填充波紋夾芯梁的面內(nèi)壓縮破壞模式分析

韓賓,文燦,于渤,倪長(zhǎng)也,秦科科,張錢城,盧天健,慈軍,耿麗

(1.西安交通大學(xué)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和材料多學(xué)科研究中心, 710049, 西安; 2.西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安;3.廣東順德西安交通大學(xué)研究院, 528300, 廣東佛山;4.東莞市永強(qiáng)汽車制造有限公司, 523407, 廣東東莞)

泡沫填充波紋夾芯梁的面內(nèi)壓縮破壞模式分析

韓賓1,2,文燦1,2,于渤1,2,倪長(zhǎng)也1,2,秦科科1,2,張錢城1,2,盧天健1,2,慈軍3,耿麗4

(1.西安交通大學(xué)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和材料多學(xué)科研究中心, 710049, 西安; 2.西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安;3.廣東順德西安交通大學(xué)研究院, 528300, 廣東佛山;4.東莞市永強(qiáng)汽車制造有限公司, 523407, 廣東東莞)

為了提高波紋夾芯結(jié)構(gòu)作為高鐵車廂或油罐車罐體容器外殼在面內(nèi)壓縮載荷下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,提出了在波紋芯體空隙中填充聚酯泡沫的設(shè)想,理論研究了泡沫填充波紋夾芯梁的面內(nèi)壓縮破壞行為,同時(shí)對(duì)面內(nèi)壓縮破壞進(jìn)行了數(shù)值有限元驗(yàn)證。泡沫填充波紋夾芯梁面內(nèi)壓縮下的主要破壞模式為宏觀彈塑性屈曲、面板彈塑性起皺2種模式。結(jié)合宏觀尺度上芯體的均勻化等效彈性常數(shù),建立宏觀屈曲破壞的理論模型;將泡沫等效為Winkler彈性基,建立面板起皺破壞的理論模型。對(duì)304不銹鋼波紋夾芯板和Rohacell 51泡沫填充材料,構(gòu)建結(jié)構(gòu)的破壞模式圖,有限元計(jì)算結(jié)果從破壞模式和臨界載荷2個(gè)方面驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)的可靠性。在此基礎(chǔ)上,對(duì)泡沫填充波紋夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量最小優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化幾何尺寸。綜合考慮承載、能量吸收、減振、隔熱等多功能特性,相較于空心波紋夾芯結(jié)構(gòu)和金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu),泡沫填充波紋復(fù)合結(jié)構(gòu)具有潛在的重要工程應(yīng)用價(jià)值。

罐車;泡沫填充波紋夾芯梁;破壞模式;屈曲分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

金屬夾芯結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、剛度大,兼具抗沖擊、減振、散熱等多功能特性[1],在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。其中,如圖1所示的波紋夾芯結(jié)構(gòu)由于較低的制造成本,被廣泛應(yīng)用于建筑、包裝、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè),特別是被用作車輛、艦船、動(dòng)力機(jī)械裝備、高速列車、罐體容器及航空航天飛行器的外殼結(jié)構(gòu)等,故研究波紋夾芯結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)行為對(duì)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。在實(shí)際工程應(yīng)用中(如高鐵列車廂體、油罐車罐體等),波紋夾芯結(jié)構(gòu)的面內(nèi)壓縮性能是關(guān)鍵的力學(xué)性能指標(biāo),是確保結(jié)構(gòu)輕量化和安全性的基礎(chǔ)。

(a)空心及泡沫填充波紋夾芯試樣照片

(b)泡沫填充波紋夾芯梁承受面內(nèi)壓縮示意圖

目前,國(guó)內(nèi)外僅有Biagi等從實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算方面詳細(xì)研究了鋁合金及304不銹鋼作為基體材料的波紋夾芯板的面內(nèi)壓縮力學(xué)行為[2-3]。若金屬波紋夾芯板的基體材料為理想彈塑性,在面內(nèi)壓縮載荷作用下可能發(fā)生的破壞模式為彎曲失穩(wěn)導(dǎo)致的整體彈性屈曲、面板彈性起皺/屈服、芯體剪切失穩(wěn);若基體材料為塑性硬化,可能發(fā)生的破壞模式則為整體彈/塑性屈曲及面板彈/塑性起皺。在同等質(zhì)量下,通過(guò)材料及幾何尺寸的設(shè)計(jì),可以最大程度地提高金屬波紋夾芯板的面內(nèi)壓縮承載能力,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)化的目的。在較小的面內(nèi)載荷下,優(yōu)化后的波紋夾芯結(jié)構(gòu)性能可媲美帽型加筋結(jié)構(gòu);載荷較大時(shí),波紋夾芯結(jié)構(gòu)的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)稍有減小,但由于其抗沖擊、減振、散熱等多功能特性,仍然具有潛在的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

為進(jìn)一步提高金屬波紋夾芯梁的面內(nèi)壓縮性能,提高其整體及局部抗屈曲性能,同時(shí)滿足其隔熱保溫性能的需要,本文考慮在波紋芯體空隙中填充泡沫材料(見(jiàn)圖1a),以改善波紋夾芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,提高破壞強(qiáng)度。目前,關(guān)于泡沫填充波紋夾芯結(jié)構(gòu)的面內(nèi)壓縮行為研究(見(jiàn)圖1b),國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。為保證在相同質(zhì)量下提高泡沫填充波紋夾芯梁面內(nèi)壓縮性能,本文采用理論分析與數(shù)值模擬(有限元分析)相結(jié)合的方法,充分考慮結(jié)構(gòu)在面內(nèi)壓縮載荷下可能發(fā)生的破壞模式,對(duì)泡沫填充物、波紋夾芯梁對(duì)應(yīng)的幾何構(gòu)型等進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì),以選取最優(yōu)材料搭配和最優(yōu)構(gòu)型。

1 破壞模式理論分析

泡沫填充波紋夾芯梁的面內(nèi)壓縮響應(yīng)行為與結(jié)構(gòu)的整體尺寸、芯體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)所用材料的力學(xué)性能等直接相關(guān)。結(jié)構(gòu)總體長(zhǎng)度為L(zhǎng),寬度為b,上下面板的厚度為ts,波紋板長(zhǎng)度為l、厚度為t,為釬焊焊接預(yù)留的波紋平臺(tái)寬度為f,波紋傾角為θ,如圖2所示。

圖2 泡沫填充波紋夾芯結(jié)構(gòu)單胞示意圖

芯體與面板均采用考慮塑性硬化的304不銹鋼,泡沫填充材料選用Rohacell 51聚酯泡沫,相關(guān)材料性能見(jiàn)表1,304不銹鋼的塑性強(qiáng)化曲線見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。芯體與面板之間采用釬焊方式連接,泡沫與面板和波紋芯體板之間采用環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)。在垂直于波紋方向的面內(nèi)壓縮載荷作用下,假定波紋芯體與面板、波紋芯體板與泡沫、泡沫與面板之間理想連接,不發(fā)生脫粘破壞[2-3],則泡沫填充波紋夾芯板可能發(fā)生的破壞模式為宏觀彈性屈曲、宏觀塑性屈曲、面板彈性起皺、面板塑性起皺、芯體彈性剪切破壞,圖3給出了前3種破壞模式的示意圖。針對(duì)不同的破壞模式,本文建立理論模型以預(yù)測(cè)與之對(duì)應(yīng)的極限載荷,而結(jié)構(gòu)的承載能力取決于極限載荷最低的破壞模式。

圖3 破壞模式示意圖[3]

脫粘失效是夾芯結(jié)構(gòu)的最典型失效模式之一,在彎曲和剪切載荷下尤為普遍。本文假定各界面均為理想連接,無(wú)脫粘破壞,主要基于以下考慮。

(1)本文考慮304不銹鋼波紋夾芯板,芯體板與面板之間通過(guò)釬焊連接。由于預(yù)留的波紋芯體平臺(tái)提供了一定的焊接面積,釬焊焊接可以保證芯體和面板之間較高的連接強(qiáng)度,膠結(jié)也為泡沫與面板和波紋芯體板之間提供了一定的連接強(qiáng)度,可避免脫粘或脫焊的過(guò)早發(fā)生[2-3]。

(2)在本文考慮的面內(nèi)壓縮載荷作用下,載荷主要由面板的壓縮變形承擔(dān),芯體與面板連接處的剪切變形很小(可忽略不計(jì))。因此,對(duì)采用釬焊焊接的波紋夾芯板而言,脫粘破壞通常不會(huì)作為初始破壞發(fā)生。

(3)在初始破壞發(fā)生后的大變形階段,由于彎曲/剪切變形以及芯體與面板變形的不協(xié)調(diào),有可能發(fā)生脫粘破壞,但本文僅研究初始破壞模式,不考慮初始破壞發(fā)生后的大變形,故假定初始結(jié)構(gòu)的各界面為理想連接,無(wú)脫粘破壞。

表1 材料基本性能

1.1 宏觀屈曲

在面內(nèi)壓縮載荷下,歐拉屈曲和芯體剪切破壞是泡沫填充波紋夾芯板宏觀整體失穩(wěn)破壞的兩種主要模式,而這兩種破壞模式常常是相互耦合的。假設(shè)彎曲由面板承擔(dān),剪切由芯體承擔(dān),則結(jié)構(gòu)宏觀整體屈曲破壞的理論公式為[6-7]

(1)

式中:k是修正系數(shù),由邊界條件決定,本文假設(shè)為固支邊界條件,則k=2;抗彎剛度

D=2Df+D0

(2)

芯體的抗剪剛度

(3)

(4)

利用式(1)和式(2),結(jié)構(gòu)的宏觀彈性屈曲需滿足條件

(5)

式中:2σy/31/2是平面應(yīng)變下材料的屈服應(yīng)力。若不能滿足式(5)條件,結(jié)構(gòu)將進(jìn)入宏觀塑性屈曲階段,相關(guān)載荷計(jì)算仍采用式(2),僅需將其中的彈性模量改為相應(yīng)的Shanley切線模量[9]:以切線模量Et替換平面應(yīng)變下的彈性模量E/(1-ν2),而Et≡dσs/dεs為平面應(yīng)變下真實(shí)應(yīng)力與對(duì)數(shù)應(yīng)變所形成曲線在σs=Pcr/2bts處對(duì)應(yīng)的切線模量。實(shí)際計(jì)算時(shí)采用迭代算法得到結(jié)構(gòu)的整體塑性屈曲失效載荷。在這個(gè)過(guò)程中,由于泡沫實(shí)際上不是主要承受載荷的構(gòu)件,因此假設(shè)式(3)中的芯體剪切剛度一直保持為彈性狀態(tài)。

1.2 面板起皺

面板起皺是一種局部失穩(wěn)破壞模式,通常發(fā)生在波紋芯體中兩個(gè)相鄰平臺(tái)區(qū)之間的面板部分。其邊界條件取決于波紋芯體與上下面板的粘結(jié)情況,一般可假設(shè)為固支[3]。為增加波紋芯體與上下面板之間的焊接面積,本文考慮的波紋芯體存在入平臺(tái)區(qū)(圖2),波紋與上下面板之間的接觸可視為完全焊接,故采用固支邊界條件較為合理。

如圖2所示,假定可能發(fā)生面板起皺的部位為上下面板中長(zhǎng)度為p的區(qū)域?？紤]泡沫填充對(duì)面板的支撐作用,可將泡沫等效為Winkler彈性基[5],與此相對(duì)應(yīng)的等效彈簧系數(shù)為

(6)

(7)

(8)

類似于宏觀塑性屈曲,可采用迭代算法求解塑性面板起皺對(duì)應(yīng)的臨界載荷。

1.3 破壞模式圖

針對(duì)受面內(nèi)壓縮的泡沫填充波紋夾芯梁,利用上述理論公式可構(gòu)造相應(yīng)的破壞模式圖。固定芯體的幾何尺寸(即t、l、f、θ固定不變),上下面板的幾何尺寸ts、L為變量。為使結(jié)果具有普遍性,對(duì)變量進(jìn)行歸一化,即采用ts/l、L/l作為變量。

圖4 泡沫填充波紋夾芯結(jié)構(gòu)在面內(nèi)壓縮下的破壞模式圖

2 有限元計(jì)算

為驗(yàn)證本文理論模型的可靠性,采用有限元方法針對(duì)面內(nèi)壓縮下泡沫填充波紋夾芯梁可能發(fā)生的典型破壞模式及其對(duì)應(yīng)的極限載荷進(jìn)行驗(yàn)證。

使用商用有限元軟件ABAQUS對(duì)泡沫填充波紋夾芯結(jié)構(gòu)的面內(nèi)壓縮行為進(jìn)行數(shù)值求解分析,各部分幾何模型的單元?jiǎng)澐志捎闷矫鎽?yīng)變實(shí)體單元(CPE4R)。為保持與理論模型一致,有限元模型中各部分之間的連接假設(shè)為完美連接:泡沫填充物與波紋芯體之間,泡沫填充物與上下面板之間,波紋芯體與上下面板之間,以及整體結(jié)構(gòu)與兩端的解析剛體之間的約束均采用Tie理想連接約束。

計(jì)算時(shí)采用準(zhǔn)靜態(tài)位移加載方式,夾芯梁一端采用固支邊界條件,另一端除梁的軸向平動(dòng)自由度約束外,其他自由度全部約束。由于波紋夾芯梁沿其中軸線表現(xiàn)為非對(duì)稱,足以在面內(nèi)加載計(jì)算時(shí)引入屈曲的傾向,故無(wú)需額外添加幾何缺陷來(lái)保證計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。

考慮到不同破壞模式對(duì)應(yīng)的幾何構(gòu)型不同,本文分別針對(duì)不同幾何構(gòu)型的計(jì)算進(jìn)行了網(wǎng)格收斂性分析,以保證計(jì)算結(jié)果的收斂性。

3 結(jié)果分析

結(jié)合圖4,針對(duì)面板塑性起皺、結(jié)構(gòu)宏觀彈性屈曲和結(jié)構(gòu)宏觀塑性屈曲3種典型破壞模式進(jìn)行有限元計(jì)算驗(yàn)證。根據(jù)破壞模式圖,針對(duì)每種破壞模式,選取典型的幾何構(gòu)型進(jìn)行分析討論。

3.1 面板塑性起皺

為通過(guò)有限元計(jì)算捕捉面板塑性起皺破壞模式(Plastic Face Wrinkling),選用圖4中的結(jié)構(gòu)a,其包含6個(gè)單胞,幾何尺寸為ts=0.67 mm,L=96.85mm。圖5給出了面板塑性起皺對(duì)應(yīng)的有限元計(jì)算結(jié)果及其變形模式。比較發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬得到的破壞模式與理論預(yù)測(cè)一致,載荷的相對(duì)誤差僅為1.61%。

圖5 泡沫填充波紋夾芯結(jié)構(gòu)的面板塑性起皺

在面板塑性起皺破壞模式區(qū)中,由于圖4中的結(jié)構(gòu)a所處的區(qū)域相對(duì)較為開(kāi)闊,在其他幾何參數(shù)不變的情況下分別選取不同梁的長(zhǎng)度,進(jìn)一步考慮了包含5、7、8個(gè)完整單胞的情況。計(jì)算結(jié)果表明,在選取6個(gè)單胞幾何構(gòu)型的情況下,可以忽略邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

3.2 宏觀塑性屈曲

為通過(guò)有限元計(jì)算捕捉泡沫填充波紋夾芯梁的宏觀塑性屈曲破壞模式(Macro Plastic Wrinkling),選用圖4中的結(jié)構(gòu)b,其包含17個(gè)單胞,幾何尺寸為ts=2 mm,L=274.42 mm,結(jié)果如圖6所示,可見(jiàn)數(shù)值模擬得到的宏觀塑性屈曲破壞模式與理論預(yù)測(cè)吻合,且面內(nèi)壓縮強(qiáng)度與理論預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差為7.67%,屬于工程可接受范圍。

圖6 泡沫填充波紋夾芯結(jié)構(gòu)的宏觀塑性屈曲

3.3 宏觀彈性屈曲

為進(jìn)一步利用有限元計(jì)算捕捉泡沫填充波紋夾芯梁的宏觀彈性屈曲破壞模式(Macro Elastic Buckling),選用圖4中的結(jié)構(gòu)c,其包含55個(gè)單胞,幾何尺寸為ts=0.5mm,L=887.82 mm,結(jié)果見(jiàn)圖7。與其他2種破壞模式相類似,無(wú)論是破壞模式還是面內(nèi)壓縮強(qiáng)度,有限元模擬結(jié)果均與理論預(yù)測(cè)吻合良好。

圖5～圖7給出的有限元結(jié)果不僅驗(yàn)證了本文理論預(yù)測(cè)的有效性,同時(shí)還表明有限元模型及方法的可靠性,為進(jìn)一步指導(dǎo)泡沫填充波紋夾芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用奠定了可靠的理論基礎(chǔ)。

圖7 泡沫填充波紋夾芯結(jié)構(gòu)的宏觀彈性屈曲

4 最小質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

在上述理論預(yù)測(cè)及有限元驗(yàn)證基礎(chǔ)上,本節(jié)針對(duì)泡沫填充波紋復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)開(kāi)展給定面內(nèi)載荷下的最小質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì),并將結(jié)果與空心波紋點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、帽型加筋結(jié)構(gòu)以及金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。

最優(yōu)質(zhì)量設(shè)計(jì)以上下面板的厚度、波紋芯體的厚度、腹板長(zhǎng)度、腹板傾斜角度以及芯體平臺(tái)長(zhǎng)度為設(shè)計(jì)變量。在優(yōu)化過(guò)程中,考慮到結(jié)構(gòu)的厚度b對(duì)優(yōu)化結(jié)果無(wú)實(shí)質(zhì)影響,故保持結(jié)構(gòu)為單位厚度。上下面板與波紋芯體均采用304不銹鋼,泡沫采用Rohacell 51。

定義歸一化面內(nèi)載荷為

(9)

結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為

M=ρLb(2ts+lsinθλ)+ρfLblsinθ(1-λ)

(10)

式中:ρ為上下面板所用材料的密度;ρf為泡沫材料的密度;λ表示波紋芯體所占的體積百分比。定義歸一化質(zhì)量為

(11)

歸一化幾何參量定義為

(12)

本文采用序列二次規(guī)劃算法,采用Matlab軟件進(jìn)行質(zhì)量最優(yōu)化分析,約束條件為結(jié)構(gòu)在面內(nèi)壓縮下不發(fā)生面板塑性起皺、宏觀彈性屈曲、宏觀塑性屈曲等破壞模式。固定f=0,θ=π/4,質(zhì)量最優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖8,其中空心波紋夾芯、帽型加筋、金字塔夾芯的優(yōu)化工作分別由Biagi等[3]、Budiansky[10]、Cté等[11]完成。帽型加筋結(jié)構(gòu)承受垂直于加強(qiáng)筋的面內(nèi)壓縮載荷時(shí),結(jié)構(gòu)等效為單一板結(jié)構(gòu)的受載,不具備優(yōu)化的價(jià)值,故圖8僅給出該結(jié)構(gòu)承受平行于加強(qiáng)筋方向的面內(nèi)壓縮載荷時(shí)的優(yōu)化結(jié)果。

圖8 面內(nèi)壓縮下幾種梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量最優(yōu)化結(jié)果比較

從圖8可以看出,相同載荷下,泡沫填充波紋夾芯結(jié)構(gòu)相較于空心波紋點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)，但整體而言,帽型加筋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。

為進(jìn)一步研究平臺(tái)寬度和波紋傾角對(duì)泡沫填充波紋夾芯結(jié)構(gòu)最小質(zhì)量的影響,圖9給出了優(yōu)化結(jié)果對(duì)f/L和θ的敏感性分析。

波紋芯體的平臺(tái)區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力貢獻(xiàn)很小,其主要作用是保證制造過(guò)程中芯體與面板的有效結(jié)合,防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫焊等破壞情況。從圖9a可以看出,在保證芯體與面板完好連接的情況下,波紋平臺(tái)的寬度越小越好,f=0時(shí)質(zhì)量為最優(yōu)。

圖9b的結(jié)果表明,泡沫填充波紋夾芯的質(zhì)量最優(yōu)化結(jié)果對(duì)波紋傾角θ在[π/6,π/3]范圍內(nèi)的變化并不敏感。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn),θ=55°對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量為最優(yōu)。

(a)波紋平臺(tái)寬度的影響

(b)波紋腹板傾角的影響

5 結(jié) 論

針對(duì)泡沫填充波紋復(fù)合夾芯梁結(jié)構(gòu),采用理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,研究了其在承受垂直于波紋方向的面內(nèi)壓縮載荷作用下的破壞行為,開(kāi)展了結(jié)構(gòu)最小質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)的破壞模式歸納為整體彈性屈曲、整體塑性屈曲、面板彈性起皺、面板塑性起皺、芯體彈性剪切破壞5種模式。有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)的可靠性。比較最小質(zhì)量?jī)?yōu)化結(jié)果發(fā)現(xiàn),泡沫填充波紋復(fù)合結(jié)構(gòu)略優(yōu)于空心波紋結(jié)構(gòu)及金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),稍弱于傳統(tǒng)的帽型加筋結(jié)構(gòu)。綜合考慮承載、能量吸收、減振、隔熱等多功能特性,泡沫填充波紋復(fù)合結(jié)構(gòu)具有潛在的重要工程應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯 趙煒)

CollapseMechanismAnalysisofFoam-FilledCorrugatedSandwichBeamsunderIn-PlaneCompression

HAN Bin1,2,WEN Can1,2,YU Bo1,2,NI Changye1,2,QIN Keke1,2,ZHANG Qiancheng1,2,LU Tianjian1,2,CI Jun3,GENG Li4

(1.Multidisciplinary Research Center for Lightweight Structures and Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2.State Key Laboratory for Mechanical Structure Strength and Vibration, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;3.Guangdong Xi’an Jiaotong University Academy, Foshan, Guangdong 528300, China; 4.Dongguan Yongqiang Vehicles Manufacturing Co.Ltd., Dongguan, Guangdong 523407, China)

It is proposed to insert polymer foams into the interstices of the corrugated core and the collapse of foam-filled corrugated sandwich beams subject to in-plane compression is investigated analytically and numerically to enhance the in-plane compression structural stability of the corrugated sandwich constructions that will be used as a kind of novel lightweight hulls for high speed strains and oil tanks.Failure mechanisms such as global elastic/plastic buckling and elastic/plastic face wrinkling are taken into account.The equivalent elastic constants of the foam-filled corrugations based upon the homogenization approach are employed to calculate the critical failure load of global buckling, and analytical formulae of face wrinkling are given by treating the foam insertion as Winkler-type elastic foundation.A failure mechanism map is constructed by using the material properties of 304 stainless steel and Rohacell 51 foam, and then three different constructions are designed to numerically probe different failure modes.It is shown that the analytical predictions accurately capture both the critical failure load and the failure mechanism.The minimum weight optimization design to foam-filled corrugated sandwich beams subject to in-plane compression is carried out and compared with competitive structures to obtain the optimal geometrical dimension of structure.Comparisons on considering the features such as load bearing, energy absorption, vibration damping, heat insulation and other multi-functional characteristics show that the foam-filled corrugated sandwich has greater potential in engineering application over empty corrugated and pyramidal sandwiches.

tanker; foam-filled corrugated sandwich beams; collapse modes; buckling;optimization

2014-06-23。

韓賓(1986—),男,博士生;盧天健(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。

廣東省科技廳粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目(2011A091200008);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11102152,11072188);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(xjj2011007)。

時(shí)間:2014-08-13

10.7652/xjtuxb201411007

TH117.5

:A

:0253-987X(2014)11-0037-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140813.1008.005.html