一種鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)仿真方法研究

李召富 馬龍 王萬(wàn)靜 王曉軍

摘要：依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》中相關(guān)規(guī)定選取鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)目標(biāo)樣件及計(jì)算載荷工況，并進(jìn)行樣件彎曲剛度數(shù)值計(jì)算。采用Sandwich夾芯板理論建立兩種樣件有限元模型，通過(guò)不同的修正系數(shù)對(duì)模型進(jìn)行修正，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算與仿真分析的吻合性。

關(guān)鍵詞：鋁蜂窩；仿真方法；夾層結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.07.089

1引言

鋁蜂窩板具有輕量化、高強(qiáng)度、高剛度、優(yōu)良隔音性能、隔熱、阻燃、減震、吸能、電磁屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，目前已在軌道交通、國(guó)防軍事、航空航天、建筑建材等工程技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。鋁蜂窩材料具有各向異性等材料性能，材料性能與其結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，為縮短研究周期、降低試驗(yàn)成本、增加結(jié)構(gòu)可靠性，對(duì)鋁蜂窩板進(jìn)行仿真分析研究，并與數(shù)值經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真合理性。

2計(jì)算工況及邊界條件

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》中相關(guān)規(guī)定選取計(jì)算載荷工況，載荷施加與邊界條件見(jiàn)圖1，各個(gè)試樣的載荷選取依據(jù)《蜂窩地板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)報(bào)告》，初始載荷為試樣破壞載荷的20%，30%，分別對(duì)每個(gè)試樣的Sandwich 4個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算，各試樣施加載荷情況參見(jiàn)表1。

3仿真建模參數(shù)

參照國(guó)標(biāo)GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》中相關(guān)規(guī)定，選取2種鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣，其中圖2為試樣三維模型，圖3為夾層結(jié)構(gòu)尺寸示意圖，試樣具體尺寸和相關(guān)材料參數(shù)見(jiàn)表2。

3.1等效方法

采用Sandwich夾芯板理論僅對(duì)夾芯層作了正交各向異性簡(jiǎn)化，計(jì)算量小且容易實(shí)現(xiàn)，參數(shù)計(jì)算方法如下：

l*為蜂窩胞元的邊長(zhǎng)（mm）；

γ為修正系數(shù)，取決于加工工藝，一般取0.4～0.7；

E_x為等效板x方向彈性模量（MPa）；

E_x為等效板y方向彈性模量（MPa）；

G_xy為等效板xy方向剪切模量（MPa）；

G_xz為等效板xz方向剪切模量（MPa）；

G_yz為等效板yz方向剪切模量（MPa）。

3.2材料參數(shù)

依據(jù)Sandwich夾芯板等效理論，并參照不同的γ取值，計(jì)算得出夾芯層的等效參數(shù)參見(jiàn)表3、表4，Sand-wich夾芯板等效模型中面板的參數(shù)和夾芯層的厚度與真實(shí)模型相同。

4有限元模型

建立每個(gè)試樣Sandwich等效模型，采用Abaqus中的復(fù)合材料建模方法，采用殼單元，根據(jù)不同的材料屬性分別計(jì)算4次，圖4為有限元模型，表5為4種試樣有限元模型的具體數(shù)據(jù)。

5計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)GB/T 1456—2005{夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》的夾層結(jié)構(gòu)彎曲剛度理論值見(jiàn)表6，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果并與進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差。

5.1試樣1計(jì)算結(jié)果

表7～表10為對(duì)試樣1的4種模型進(jìn)行計(jì)算的位移結(jié)果，以及根據(jù)位移計(jì)算出的夾層結(jié)構(gòu)彎曲剛度和相對(duì)理論彎曲剛度值的誤差，表中左側(cè)位移對(duì)應(yīng)圖1中4點(diǎn)的位移，右側(cè)位移對(duì)應(yīng)圖1中2點(diǎn)的位移，中間撓度對(duì)應(yīng)圖1中3點(diǎn)的位移。

由計(jì)算結(jié)果可知，由Sandwich等效模型計(jì)算出的試樣1夾層結(jié)構(gòu)彎曲剛度相對(duì)理論值的誤差為5.31%～5.35%。

5.2試樣2計(jì)算結(jié)果

表11～表14為對(duì)試樣2的4種模型進(jìn)行計(jì)算的位移結(jié)果，以及根據(jù)位移計(jì)算出的夾層結(jié)構(gòu)彎曲剛度和相對(duì)理論彎曲剛度值的誤差。

由計(jì)算結(jié)果可知，由Sandwich等效模型計(jì)算出的試樣2夾層結(jié)構(gòu)彎曲剛度相對(duì)理論值的誤差為5.32%～5.37%。

6結(jié)論

對(duì)兩種鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣分別采用Sandwich等效模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分別采用0.4，0.5，0.6，0.7四種系數(shù)對(duì)模型進(jìn)行修正，仿真結(jié)果與GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》彎曲剛度理論值進(jìn)行對(duì)比。試樣1的誤差為5.31%～5.35%，試樣2的誤差為5.32%～5.37%，其中γ=0.4時(shí)計(jì)算出的夾層結(jié)構(gòu)彎曲剛度相對(duì)理論值的誤差最小。