異質(zhì)金屬曲面夾層板上面板抗撞性能研究及多目標(biāo)優(yōu)化

甘代偉

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710302）

異質(zhì)金屬曲面夾層板上面板抗撞性能研究及多目標(biāo)優(yōu)化

甘代偉

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710302）

異質(zhì)金屬曲面夾層板具有優(yōu)越的綜合性能（比剛度高、耐撞性、輕質(zhì)等），在航空、航天、高速列車、船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)異質(zhì)金屬曲面夾層板上面板，進(jìn)行了碰撞載荷作用下的性能研究。采用有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)碰撞過程中不同上面板參數(shù)夾層板的綜合性能進(jìn)行數(shù)值求解計(jì)算，并利用響應(yīng)面方法構(gòu)建了上面板綜合指標(biāo)近似函數(shù)，從而得到上面板參數(shù)對(duì)夾層板抗撞性能影響規(guī)律。

異質(zhì)金屬曲面夾層板；抗撞性能；有限元；響應(yīng)面

0 引言

金屬夾層板本質(zhì)上屬于結(jié)構(gòu)規(guī)則有序的超輕多孔材料，具有超輕質(zhì)、高比剛度、高比表面積等特點(diǎn)，同時(shí)具有優(yōu)良的抗沖擊、隔熱、隔音、吸能減震等性能[1,2]。因此，在航空航天、交通運(yùn)輸、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。異質(zhì)金屬夾層板是由高強(qiáng)度的面板材料和低強(qiáng)度低密度的夾心材料組成，被廣泛的應(yīng)用于車輛結(jié)構(gòu)中。

國(guó)內(nèi)外對(duì)異質(zhì)金屬夾層板抗撞性能優(yōu)化研究的不多，D.Karagiozova[3]等人利用有限元法分析了夾層結(jié)構(gòu)在爆炸中的性能，結(jié)果表明，在夾芯結(jié)構(gòu)一定時(shí)，傳到底面板的載荷大小取決于爆炸產(chǎn)生的載荷大小、夾芯的厚度和夾層板的彎曲剛度等；G.Belingardi[4]研究了高速列車頭部的夾層結(jié)構(gòu)的碰撞性能，夾層結(jié)構(gòu)的面板為玻璃纖維樹脂面板，夾芯為聚合泡沫，試驗(yàn)結(jié)果表明夾層結(jié)構(gòu)的碰撞性能主要依賴于泡沫夾芯材料的強(qiáng)度性能，在泡沫夾芯中增加一層樹脂墻可以增加夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能；Patrick M.Schubel[5]評(píng)估了夾層結(jié)構(gòu)在碰撞之后結(jié)構(gòu)的殘余機(jī)械性能，結(jié)果顯示，夾層結(jié)構(gòu)碰撞后產(chǎn)生的面板層分離對(duì)夾層板的承載載荷非常不利。吳存利等[6]將波紋板剛度輸入到MSC/NASTRAN材料卡中，并對(duì)波紋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析。同濟(jì)大學(xué)的王文斌[7]和大連交通大學(xué)的謝素明[8]對(duì)列車車廂夾層板的碰撞性能進(jìn)行了優(yōu)化研究，以吸能結(jié)構(gòu)的壁厚作為設(shè)計(jì)變量，內(nèi)能為目標(biāo)函數(shù)，最終優(yōu)化出吸能壁厚為3.5mm時(shí)，吸能最大。

研究發(fā)現(xiàn)夾層板結(jié)構(gòu)的不同對(duì)其抗撞性能影響顯著，深入研究不同形狀?yuàn)A層板對(duì)其抗撞性能的影響規(guī)律，對(duì)夾層板的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要意義。因此，本文以高鐵車體的車廂板為對(duì)象，研究了不銹鋼、鋁合金上面板和鋁合金夾芯組成的異質(zhì)金屬曲面夾層的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其抗撞性能的影響規(guī)律，最后優(yōu)化得到一組最優(yōu)的夾層板參數(shù)，可以保證此結(jié)構(gòu)夾層板有最好的抗撞特性。

1 異質(zhì)金屬夾層板碰撞模型的建立

本文研究所采用的有限元模型先通過CAD軟件Pro/ E建模（如圖1所示），再轉(zhuǎn)換成通用格式iges文件導(dǎo)入ANSYS（如圖2所示）進(jìn)行模擬計(jì)算。這樣做是因?yàn)锳NSYS的建模過程較為繁瑣，影響工作效率，而且兩個(gè)軟件之間有專用的接口，模型導(dǎo)入的效果好。

圖1 Pro/E中建立的模型

1.1 模型參數(shù)的設(shè)計(jì)

本文所采用的異質(zhì)金屬曲面夾層板所采用的模型是通過平面波紋板扭曲所得。參考高鐵車體兩車窗間側(cè)墻模型，平面波紋夾芯的尺寸大小為440×560×50mm，波紋頂角θ為85°，夾層板彎曲角度α，夾心層波紋材料為鋁合金厚度d為3mm，下面板材料為鋁合金厚度4mm，上面板由不銹鋼層和鋁合金層組成厚度2mm，其中鋁合金層厚度為t1，不銹鋼層的厚度為t2。模型如圖3所示，為了方便表示，曲面波紋夾層板的參數(shù)延用平面波紋板。

圖2 導(dǎo)入ANSYS后的模型

圖3 異質(zhì)金屬夾層板示意圖

1.2 材料參數(shù)的設(shè)定及模型的網(wǎng)格劃分

材料參數(shù)取自文獻(xiàn)[9]。由于需要研究結(jié)構(gòu)的彈塑性變形階段，因此建立材料模型時(shí)需要輸入材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。材料的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)如表1所示 。

模型劃分單元網(wǎng)格時(shí)選用SOLID 187單元，該單元為含中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元，適用與曲面實(shí)體的網(wǎng)格劃分。模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

2 異質(zhì)金屬曲面夾層板上面板抗撞性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化

描述異質(zhì)金屬夾層板抗撞性能指標(biāo)主要有上面板中心在撞擊方向上的位移、速度、應(yīng)力，以及結(jié)構(gòu)的彈、塑性應(yīng)變，結(jié)構(gòu)的吸能，結(jié)構(gòu)質(zhì)量等。其中，結(jié)構(gòu)的吸能表征了異質(zhì)金屬夾層板總體吸能能力；中心點(diǎn)位移、結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變表征了異質(zhì)金屬夾層板局部最大抗變形能力；中心點(diǎn)應(yīng)力表征了異質(zhì)金屬夾層板，在碰撞中局部應(yīng)力分布。

表1 異質(zhì)金屬夾層板上面板選用材料的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)

圖4 有限元網(wǎng)格模型

以上四個(gè)指標(biāo)對(duì)于異質(zhì)金屬夾層板抗碰撞能力的描述，都有十分重要的意義。例如，當(dāng)異質(zhì)金屬夾層板最大變形超過某一極限時(shí)，將導(dǎo)致異質(zhì)金屬夾層板結(jié)構(gòu)的坍塌，不再具有異質(zhì)金屬夾層板的特性。當(dāng)異質(zhì)金屬夾層板最大應(yīng)力分布超過某一極限時(shí)，甚至可能導(dǎo)致異質(zhì)金屬夾層板面板開裂、面板與夾芯結(jié)構(gòu)焊接部位脫開。

2.1 上面板抗撞性能研究及綜合指標(biāo)函數(shù)響應(yīng)面法擬合

模型的參數(shù)設(shè)計(jì)使用2因素3水平的全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即總共有9組模型。2因素分別為上面板鋁合金厚度t1和夾層板彎曲角度α，t1的下限取現(xiàn)有工藝能達(dá)到的最小值0.75mm，水平取0.25mm，即t1的范圍為0.75mm～1.25mm，保證上面板總厚度2mm。α的范圍取模擬中指標(biāo)出現(xiàn)極值的范圍40°～60°，水平為10°。具體的分組編號(hào)及對(duì)應(yīng)的參數(shù)如表2所示。

表2 異質(zhì)金屬夾層板上面板模型編號(hào)及對(duì)應(yīng)參數(shù)

模擬結(jié)果如表3所示。為綜合考慮曲面波紋夾層板的抗撞性，采用線性加權(quán)的方法將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化成單一綜合指標(biāo)優(yōu)化。本文針對(duì)板的抗撞性采用的線性加權(quán)函數(shù)為：

表3 異質(zhì)金屬夾層板上面板抗撞性模擬結(jié)果

表4 異質(zhì)金屬夾層板上面板抗撞性綜合指標(biāo)結(jié)果

對(duì)結(jié)果采用二次響應(yīng)面近似，可得綜合指標(biāo)的近似函數(shù)：

2.2 上面板參數(shù)對(duì)夾層板抗撞性能的影響分析

根據(jù)式(2)可以得到上面板綜合指標(biāo)與2個(gè)變量的響應(yīng)面關(guān)系曲面如圖5所示。由圖5可以發(fā)現(xiàn)隨著不銹鋼厚度的增加，異質(zhì)金屬夾層板抗撞性能隨之提高，對(duì)局部最大應(yīng)力的改善有顯著效果。因?yàn)橛懈邚?qiáng)度不銹鋼面板覆蓋在夾心鋁板上，保證夾心鋁板承受面載荷，所以在加載過程中上、下面板基本沒有塑性變形，塑性變形主要發(fā)生在支撐脊的位置，同時(shí)不銹鋼面板層厚度的增加，延遲夾心鋁板的塑性變形。夾層板曲角度對(duì)抗撞性能的影響不大，且在40°～60°時(shí)會(huì)發(fā)生畸變。

圖5 異質(zhì)金屬夾層板上面板抗撞性綜合指標(biāo)/結(jié)構(gòu)變量響應(yīng)面

3 結(jié)論

本文針對(duì)異質(zhì)金屬曲面夾層板上面板，進(jìn)行了碰撞載荷作用下的性能研究。采用有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)碰撞過程中不同上面板參數(shù)夾層板的綜合性能進(jìn)行數(shù)值求解計(jì)算，并利用響應(yīng)面方法構(gòu)建了上面板綜合指標(biāo)近似函數(shù)，從而得到上面板兩個(gè)參數(shù)t1、α對(duì)夾層板抗撞性能影響規(guī)律。

研究發(fā)現(xiàn)：

1）隨著上面板彎曲角度的增大，抗撞性綜合指標(biāo)先增大后減小，在彎角為52°時(shí)達(dá)到峰值。

2）隨著不銹鋼厚度的增加，異質(zhì)金屬夾層板抗撞性能隨之提高，對(duì)局部最大應(yīng)力的改善有顯著效果；隨著鋁合金厚度的增大，抗撞性綜合指標(biāo)先減小后增大，在不銹鋼層厚度為0.99，鋁合金層厚度為1.1mm時(shí)取最小值。

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Investigation on the crashworthiness properties and multi-objective optimization of panel on heterogeneous metal curved sandwich board

GAN Dai-wei

TH142

：A

：1009-0134(2017)05-0098-03

2017-03-30

甘代偉（1983 -），男，福建寧德人，講師，工程碩士，研究方向?yàn)楫愘|(zhì)金屬曲面波紋夾層板。