一種鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)仿真方法研究

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

關(guān)鍵詞：鋁蜂窩結(jié)構(gòu)；有限元；應(yīng)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(jié)構(gòu)介紹

鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)由上面板、下面板及鋁蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)成，鋁蜂窩芯與上下面板通過釬焊連接。鋁蜂窩復(fù)合板使用過程中，特定位置需提供其他部件連接接口，設(shè)計接口結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對強度影響，分別采用結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)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(nèi)外學(xué)術(shù)界已經(jīng)對夾層結(jié)構(gòu)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(tài)等效的方法，它將夾層結(jié)構(gòu)的蒙皮、芯材等效為一張同材質(zhì)、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(xiàn)，理論和等效過程較為簡單。

圖3"夾層結(jié)構(gòu)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(shè)滿足彎曲理論假設(shè)（Kirchhoff假設(shè)），則該板的彎曲剛度為：

DBeq=Eeqteq3121-μeq2（1）

作為平面應(yīng)力板，它只承受面內(nèi)的載荷，則其平面應(yīng)力剛度為

Dpeq=Eeqteq1-μeq2（2）

2.2"蜂窩板理論

圖4"夾層和等效結(jié)構(gòu)示意圖

蜂窩板理論是動態(tài)等效的一種，是以動力學(xué)方程為基礎(chǔ)，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(nèi)和面外力學(xué)特性，推導(dǎo)出等效力學(xué)模型的等效力學(xué)參數(shù)。

夾層板橫截面上的位移是連續(xù)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(nèi)位移可以忽略，依照低階剪切理論，其橫截面位移應(yīng)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(zhuǎn)角。由哈

剛度系數(shù)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(shù)取0～1

2.3"鋁蜂窩結(jié)構(gòu)仿真建模

根據(jù)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，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(shè)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(shù)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(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示：

4"仿真結(jié)果

針對鋁蜂窩吊掛結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)方案，進行有限元仿真計算，根據(jù)計算結(jié)果分別提取整體應(yīng)力、上面板應(yīng)力及鋁蜂窩芯應(yīng)力，見圖3-5所示。

5"結(jié)論

通過鋁蜂窩復(fù)合材料吊掛結(jié)構(gòu)三種改進方案與方案一對比分析，結(jié)論如下：通過增加螺栓襯板厚度，對結(jié)構(gòu)整體最大應(yīng)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(yīng)力集中，連接處應(yīng)力增大，使用時該處易產(chǎn)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(jié)構(gòu)整體最大應(yīng)力影響較小，螺栓襯板與上面板連接處應(yīng)力大大減小，且鋁蜂窩芯應(yīng)力降幅較大；增加鋁蜂窩芯厚度，對結(jié)構(gòu)整體及組成零件應(yīng)力影響較小，且重量增加較多；綜上所述，在滿足結(jié)構(gòu)重量許可要求的條件下，方案三為優(yōu)選方案。

參考文獻

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