芯子缺失對蜂窩板側壓力學性能的影響研究

夏明凱

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

蜂窩夾層結構被越來越多的使用在要求輕質的運輸系統上，如衛星、航天器、高速鐵路、快速汽艇等。通過使用輕且具有彈性的芯子來分離重且剛度大的面板而產生的一種理想結構來承擔使用過程中的彎曲載荷［1］。對于蜂窩夾層結構的面板可能使用的材料有鋁合金，高延展性的鋼，鈦或者復合材料，這取決于所使用的環境和要求。同樣，芯子的形狀和材料的選擇也是多樣化的。其中，由薄片組成的垂直于面板的正六角形蜂窩芯子是最常用的一種結構形式［2］。

國內外很多學者對蜂窩板的側壓力學性能做過研究，周祝林［3］對碳纖維復合材料夾層結構的側壓強度進行了理論計算。彭明軍［4］對鋁蜂窩板沿平行雙倍壁板方向和垂直于雙倍壁板方向的側壓強度和破壞模式進行了研究。Paik［2］利用實驗的方法對蜂窩芯子壁厚度和蜂窩芯子高度對鋁蜂窩板的側壓強度的影響做出了研究。劉智良，程小全［5］通過實驗對含不同形狀分層缺陷的蜂窩夾層板的側壓性能做了研究。本文運用數值模擬的方法對蜂窩芯子脫焊缺陷對金屬蜂窩夾層板側壓強度和破壞模式的影響進行了研究。

1 模型準備

1.1 金屬蜂窩板結構和方向定義

本文所使用蜂窩夾層結構的尺寸為hc=4mm，hf=0.25mm，t=0.076mm，l=4mm。材料為高溫合金haynes214。蜂窩板結構如圖1 所示。

圖1 金屬蜂窩板結構圖

1.2 建立模型

蜂窩板的共面力學性能測試的國家標準GB/T1456－2005要求試件的長度和寬度范圍內至少包含4個以上完整的單胞。本文中所用的正六邊形蜂窩板的單胞邊長和高度均為4mm，所以試件的長度和寬度需要大于40mm，有限元模型長度為84mm，寬度為50mm，厚度為4.6mm。

2 芯子雙層壁板缺失的y 方向力學性能究

2.1 計算結果

芯子缺失的位置為所建立模型的與y 向垂直的中間截面上，芯子缺失的方式為對稱性缺失，本文建立了五種不同缺失比例的蜂窩板模型，缺失比例分別為0%，25%，50%，75%，100%，計算結果如圖2 所示。不同缺失比例下的側壓強度值如表1 所示。由圖2 知不同芯子缺失比例蜂窩板的彈性階段基本重合，說明芯子缺失不會改變蜂窩板的彈性模量。但是隨著芯子缺失比例的增大，塑性變形增強特性逐漸變差。達到側壓強度后迅速進入局部失穩階段，蜂窩板發生失效。由表2 知，當芯子缺失的比例超過50%的時側壓強度明顯衰減。

圖2 含芯子缺失缺陷蜂窩板的側壓應力應變曲線

表1 不同芯子缺失比例下的蜂窩板的側壓強度

2.2 破壞機理分析

由圖2 知金屬蜂窩板的失效過程共經歷了三個階段，彈性變形階段，塑性變形增強階段以及局部失穩階段。彈性變形階段，蜂窩芯子的雙層壁板發生彈性屈曲，在彈性階段的末期，與雙層壁板相焊合的面板區域和蜂窩孔內的面板區域出現輕微的軸向外凸，隨著彈性形變的逐步增大，這些區域凸凹交錯，沒有規律。塑性變形增強階段，隨著塑性變形的增大，這些區域仍然是內凹相間，而蜂窩芯子的雙層壁板發生塑性屈曲。局部失穩階段，隨著塑性應變的進一步增大，蜂窩芯子某一橫截面上的雙層壁板被拉服或者被壓服，面板凸起和凹陷相間，接著雙層壁板在載荷方向上被壓服，于是應力應變曲線出現波動，材料發生破壞，破壞外觀形貌如圖3所示。

圖3 y 向側壓破壞模式圖

3 結論

在y 方向的壓縮載荷作用下，芯子缺失不會改變金屬蜂窩板的壓縮彈性模量，蜂窩板某一橫截面上芯子缺失比例超過50%的時候，側壓強度明顯衰減。在壓縮載荷作用下的蜂窩芯子雙層壁板受到面板的拉伸或者壓縮，直至載荷增大到被拉伸屈服和壓縮屈服，蜂窩板發生失效，外觀形貌為面板凸起和內凹相間，芯子被壓潰。

［1］F.Mujika，J.Pujana，M.Olave.On the determination of out－ of－ plane elastic properties of honeycomb sandwich panels［J］.Polymer Testing.2011，30(2):222－228.

［2］Paik J K，Thayamballi A K，Kim G S.The strength characteristics of aluminum honeycomb sandwich panels［J］.Thin－Walled Structures.1999，35:205－231.

［3］Zhou Zhulin.Calculation of edge compression strength of CFRP sandwich construction with honeycomb of CFRP［J］.Fiber Compos，2001，18(2):29－30.

［4］彭明軍，孫勇，段永華等.釬焊蜂窩鋁板側壓變形模式分析研究［J］.材料導報:研究篇，2010，24(3):75－77.

［5］劉智良，程小全，胡仁偉等.含不同分層缺陷蜂窩夾層板的壓縮性能［J］.復合材料學報，2009，26(5):153－158.