復合材料蜂窩夾芯板仿真技術研究

梁偉 張俊

摘要：蜂窩具有密度小、剛度大的特點，廣泛用于航空航天、船舶等領域，在結構輕量化設計中發揮著突出的作用，目前主要應用于蒙皮、地板、內飾等結構中。本文采用一種實體等效方法對芳綸紙蜂窩夾芯板結構的力學特性進行建模，并通過仿真分析及試驗進行驗證，通過研究得出采用蜂窩結構實體等效分析方法時，隨蜂窩板厚度增加誤差值減小，且此種等效分析結果抬高了材料剛度值，需對結果進行修正。

關鍵詞：蜂窩結構;等效;仿真;試驗

引言

蜂窩作為芯材，被廣泛應用于航空航天、船舶車輛以及建筑裝潢等領域，具有密度小剛度大的特點。工程上常用的蜂窩為鋁蜂窩，由鋁的合金板粘接而成，目前在飛機和航天器比較常見，主要起承力和緩沖的作用。這種板相對傳統鋁合金板，可有效減小飛機和航天器的整體重量，具有重要的意義。除鋁蜂窩外，紙蜂窩和陶瓷蜂窩也是近些年來較為新興的蜂窩。紙蜂窩具有成本低，可回收，綠色環保的優點，常用于航空器座艙內飾板、電器艙隔板等。本文主要研究芳綸紙蜂窩夾芯板的彎曲特性。

目前針對蜂窩結構的仿真分析均存在不同程度的誤差，典型的復合材料失效準則包含，Gose提出了應變不變量失效準則，將基體的失效分為膨脹失效和扭曲失效，在細觀層面利用應變判斷纖維和基體的破壞;Mayes等發展了跨尺度失效準則MCT，通過細觀力學理論分別導出了纖維和基體的本構關系，采用二次應力準則分別判斷其失效;Wang將纖維失效分為拉伸失效和壓縮失效，基體失效分為膨脹失效和扭曲失效，考慮了聚合物基樹脂扭曲失效對壓力的敏感性，采用修正的Von Mises屈服準則判斷基體的失效;Ha等提出了細觀失效準則MMF，同時考慮了纖維、基體和界面的失效，并建立了相應的損傷演化準則。目前跨尺度失效準則在復合材料結構斷裂和耐久性分析中得到了一定的應用，特別是討論溫度和纖維體積含量對材料性能影響時其具有顯著的優勢。然而目前跨尺度失效準則尚不成熟，宏、細觀的轉化及細觀失效模式的判定等方面尚存在很多問題。

本文通過試驗方法測試不同密度、不同厚度的蜂窩夾芯板結構彎曲剛度，并采用有限元單元等效方法，采用試驗件同尺寸模型進行仿真計算，對比試驗與仿真結果，對仿真方法進行修正，最終得到誤差較小的等效模型，為后續蜂窩結構件設計提供數據依據。

1蜂窩結構仿真原理

雖然蜂窩芯層很軟，但由于它相對蒙皮而言具有較大的厚度，因此忽略其面內剛度和彎曲剛度必然會導致不可忽視的誤差。三明治夾心板理論是對蜂窩夾芯進行等效的一種有效方法，假定芯層能抵抗橫向剪切變形并且具有一定的面內剛度，上、下蒙皮層服從Kirchhoff假設，忽略其抵抗橫向剪應力的能力，則蜂窩芯層可以等效為一均質的厚度不變的正交異性層。

由上表可知，采用實體等效方法進行芳綸紙蜂窩仿真分析，在線性分析過程中，其誤差最大為19%，且均為正值，表明實體等效方法較原結構剛度有所提升，因為此種分析方法未考慮層間膠接屬性，簡化為實體固接。因此采用此種方法分析蜂窩結構時，安全裕度要求應隨厚度降低而逐漸提高，確保結構的安全性。

4總結

本文以蜂窩夾芯板結構為研究對象，對實體等效建模仿真計算方法進行驗證，通過理論分析、仿真計算結合試驗得出以下結果：

（1）采用實體等效方法能夠實現蜂窩夾芯結構的仿真分析，計算結果具備參考價值。

（3）隨蜂窩厚度增加，由于剛度提升，其分析誤差值逐步減小。

（2）蜂窩等效模型剛度較原狀態提升，因此在蜂窩夾芯結構的設計過程中應提高安全裕度要求。

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（作者單位：航空工業昌河飛機制造集團有限責任公司）