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  • 金属蜂窝夹层结构弯曲性能分析

    • 投稿织锦
    • 更新时间2015-09-23
    • 阅读量521次
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    后二直选单式万能码 dfc.bdzq23.com 杨 宇

    (上海飞机设计研究院,中国 上海 201210)

    【摘 要】本文通过力学实验和有限元模拟方法研究了金属蜂窝夹层结构的静态力学性能。通过三点弯曲试验分析了不同结构参数下的破坏模式;通过有限元方法模拟了不同面板厚度、不同焊接角度的蜂窝夹层结构的弯曲性能。

    教育期刊网 http://www.jyqkw.com
    关键词 蜂窝夹层结构;弯曲;有限元

    【Abstract】This paper aimed to study the superalloy honeycomb sandwich structures. The out-planethree-point bending behavior are investigated by experimental method and FEM. The failure mode are obtained by experiments; The finite element method is used to analyze the impacts of the panel thickness and welding angle on the mechanical properties.

    【Key words】Honeycomb sandwich structure;Three-point bending;Finite element simulation

    0 前言

    蜂窝夹层结构具有比强度高、比刚度大等优点,因而在卫星、飞机、轮船、汽车、桥梁建造等领域被广泛的应用并不断快速增长。由于蜂窝夹心结构的复杂性和设计的多样性,在研究其力学性能时一开始就对其进行比较系统详尽的分析存在较大的困难。出于计算效率的原因,在分析蜂窝夹芯结构人们更倾向于将其等效成为板或是壳模型,而并非去考虑其真实的微观结构。目前人们对蜂窝夹芯等效参数的确定大多都是基于Gibson和ashby[1]的研究工作。富明慧,尹久仁[2]和王颖坚[3]在Gibson和Ashby的基础上分别考虑了蜂窝壁板的伸缩变形的影响和蜂窝壁弯矩的作用,对Gibson公式作了适当的修正。Chang和Ebcioglu[4]以及Kelsey[5]等在对六边形蜂窝格子的有效地横向剪切模量进行了开创性的工作,后人[6-10]又对六边形和其他二维的多孔结构的有效弹性常数的研究大量的研究工作。

    1 金属蜂窝夹层结构的三点弯曲试验

    蜂窝夹层结构在承受三点弯曲载荷时,结构的上面板和下面板分别承受拉伸和压缩载荷作用,而蜂窝芯子主要承受的是剪切载荷,并且在压头附近的局部区域承受平压载荷作用。图1给出了蜂窝夹芯结构在弯曲载荷作用下的破坏过程,在弯曲在载荷作用下,由于面板相对于芯子厚度较大,所以在整个加载过程中,面板没有出现致命性的破坏模式。结构主要有芯子屈曲破坏、芯子分层破坏以及芯子剪切破坏等几种破坏模式。加载过程中蜂窝芯子首先出现屈曲变形(如图1(a)所示)紧接着在压头附近出现屈曲破坏以及面板的皱曲、芯子屈曲(如图1(b)所示)或是芯子的剪切破坏(如图1(c)所示)直至结构达到整体失效。

    通过测试不同面板厚度的蜂窝夹层结构的弯曲性能,我们发现面板厚度不同,结构的破坏模式也不尽形同。对比破坏形态图2可知,当面板厚度较薄时,由于蜂窝芯子的约束作用,上面的薄板较容易受压屈曲,发生屈曲破坏,因而导致最终的整体破坏,当面板厚度较大时,上面板虽然也受压缩载荷的作用,但是由于厚度较大,不易发生屈曲破坏,因此结构最终破坏模式主要以芯子破坏为主。

    2 金属蜂窝夹层结构的弯曲性能数值模拟

    2.1 计算模型

    有限元模型:

    应用ABAQUS有限元软件,采用ABAQUS自带的金属延性损伤模型对蜂窝夹层结构的侧压力学性能进行数值模拟。本文中的所使用的蜂窝夹层结构的数值模型如图3所示。

    2.2 面板厚度对弯曲性能的影响

    2.2.1 破坏形态

    本小节探究了不同面板厚度对结构弯曲力学性能的影响,模拟计算了0.12mm、0.24mm、0.50mm和1.0mm四种不同面板厚度的的弯曲响应。图4列出不同面板厚度的结构破坏形态,可以看出随着面板厚度的增加,面板屈曲现象会逐渐减弱乃至最后消失,并且面板厚度越薄越易屈曲,这与图2所示的试验结果一致。

    2.2.2 载荷位移曲线

    不同面板厚度的载荷-位移模拟结果如图5和表1所示。随着面板厚度的增加,结构的承载能力也随之增加。面板厚度较大时,其对弯曲最大载荷随厚度的变化较平缓,在面板厚度较小时,面板厚度对最大载荷的影响较为突出,这主要是因为,当面板厚度较小时,加载过程中面板非常容易出现局部屈曲的破坏模式,根据Allen[11]模型可知面板是承受弯曲载荷的主要结构,因而面板的屈曲会显著地影响结构的承载能力,而面板厚度较大时,则不会出现局部破坏的现象,所以在面板厚度达到一定之以后,极限载荷变化相对平缓。

    2.3 焊接角度对弯曲性能的影响

    2.3.1 破坏形态

    本小节探究了不同焊接角度对结构弯曲力学性能的影响,模拟计算了90、80、70和60四种焊接角度的的弯曲响应。图6列出不同焊接角度结构的破坏形态。由图6可以看出,由于倾斜的芯子在受力时会容易对面板产生压缩效应,所以有一定倾斜角度的结构上面板会更容易发生屈曲,与垂直焊接最大不同的是,有一定倾斜角的结构是在上面板处破坏。

    2.3.2 载荷位移曲线

    不同焊接角度的载荷-位移模拟结果如图7和表2所示,可以看出焊接角度对弯曲性能在线弹性阶段的影响并不是非常明显,则主要是因为在弯曲载荷的作用下,芯子结构主要起到一个支架的作用,本身并不承受太大的载荷,因而在改变芯子结构的时候只要不改变芯子的有效高度,结构的承载能力并不会受较大影响。对比发现不同的焊接角度对结构的弯曲强度有一定影响,焊接角度为70 度时结构承载能力最弱。

    图7 不同焊接角度弯曲载荷为位移曲线

    表2 芯子高度10mm不同焊接角度的载荷最大值

    3 结论

    3.1 通过力学性能测试,得到了夹芯结构在弯曲载荷下的破坏形貌、不同面板厚度的结构的破坏模式的差异以及几种主要破坏模式(包括面板局部屈曲破坏、塑性变形、芯子屈曲破坏、芯子分层破坏以及芯子剪切破坏);

    3.2 通过数值模拟分析可知:随着面板厚度的增加结构承载能力加强,且承载能力随厚度非线性变化;不同的焊接角度对结构的线弹性性能影响较小,焊接角度为70度时结构承载能力最弱。

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    参考文献

    [1]Gibson, Lorna J., and Michael F. Ashby. Cellular solids: structure and properties[M]. Cambridge university press, 1999.

    [2]富明慧,尹久仁.蜂窝芯层的等效弹性参数[J].力学学报,1999,31(1):113-118.

    [3]王颖坚.蜂窝结构在面内剪力作用下的变形模式[J].北京大学学报:自然科学版,1991,27(3):301-306.

    [4]Chang C C, Ebcioglu I K. Effect of cell geometry on the shear modulus and on density of sandwich panel cores[J]. Journal of Basic Engineering,1961, 83: 513-8.

    [5]Kelsey S, Gellatly R A, Clark B W. The shear modulus of foil honeycomb cores: A theoretical and experimental investigation on cores used in sandwich construction[J]. Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 1958, 30(10): 294-302.

    [6]Gibson L J, Ashby M F. Cellular solids: structure and properties[M]. Cambridge university press, 1999.

    [7]Christensen R M. Mechanics of cellular and other lowdensity materials[J]. International Journal of Solids and Structures, 2000, 37(1): 93-104.

    [8]Hohe J, Becker W. An energetic homogenization procedure for the elastic properties of general cellular sandwich cores[J]. Composites Part B: Engineering, 2001, 32(3): 185-197.

    [9]邱克鹏,张卫红,孙士平.蜂窝夹层结构的等效弹性常数的多步三维均匀化数值计算分析[J].西北工业大学学报,2006,24(4):514-518.

    [10]Warren W E, Kraynik A M. Foam mechanics: the linear elastic response of two-dimensional spatially periodic cellular materials[J]. Mechanics of Materials, 1987, 6(1): 27-37.

    [11]Allen, HG.Analysis and Design of Structural Sandwich Panels[M].Pergamon Press, Oxford, 1969.

    [责任编辑:曹明明]