鋁蜂窩結構彎曲損傷規律仿真分析及研究

摘 要：為快速定位鋁蜂窩結構彎曲損傷部位，通過有限元分析方法開展鋁蜂窩結構彎曲損傷規律分析及研究，獲得了鋁蜂窩結構試件在彎曲狀態下的變形、應變、應力狀態分布規律，給出了在彎曲狀態下變形、應變、應力最大值的分布形式，為快速定位鋁蜂窩結構損傷提供了依據。

關鍵詞：鋁蜂窩；損傷規律；仿真分析

中圖分類號：TG115.28" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0026-08

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.006

0" " 引言

鋁蜂窩結構受正壓力或側壓力時易產生分層等損傷。該類結構是如何產生損傷的，產生損傷的具體原因是什么，什么部位容易產生損傷，產生損傷時損傷是如何分布的，是開展無損檢測時值得關注的主要問題[1-3]。

為獲得鋁蜂窩結構試件受正壓和側壓后的變形、應變、應力分布規律，減小計算的工作量，本文在對蜂窩結構試件受力分析時簡化了受力模型，僅考慮單純受正壓或側壓時蜂窩結構試件的變形、應變、應力情況，獲得其分布規律，并進行對比分析，總結鋁蜂窩結構試件變形、應變、應力分布的共同點和不同點[4-5]。

1" " 鋁蜂窩結構模型的建立

蜂窩結構試件仿真模型參數如表1所示，根據模型參數建立蜂窩結構模型。

無損傷鋁蜂窩結構試件和有損傷結構試件分析模型、結構示意圖如圖1、圖2所示，分別對該試件施加豎直向下的壓力P和水平向左的壓力P′，使得該試件分別向下彎曲和向左壓縮，獲得變形、應變、應力變化圖，得到變形、應變、應力變化規律，給出試件的損傷趨勢分布特征，并通過無損傷和有損傷鋁蜂窩結構試件變形、應變、應力分布規律的對比分析，獲得變形、應變、應力受分層損傷影響時的變化規律和分布規律。

2" " 鋁蜂窩結構試件彎曲損傷規律

鋁蜂窩懸臂梁結構試件受力簡圖如圖3所示，將試件一端固定，另一端處于自由狀態，施加豎直向下的壓力P，觀察鋁蜂窩結構無損傷和有損傷的變形情況。

壓力P分別取100、300、500、700 N時，鋁蜂窩結構試件的變形情況如圖4、圖5所示。

鋁蜂窩結構試件受豎直向下的壓力P時，自由端向下產生的變形最大，固定端產生的變形最小，由自由端到固定端方向，向下產生的變形逐漸變小，該結果與懸臂梁的理論計算分析相吻合。在一定的豎直向下的壓力范圍內，鋁蜂窩結構試件的變形規律相同，無損傷的鋁蜂窩試件和有損傷的鋁蜂窩試件變形規律基本相同。壓力P分別取100、300、500、700 N時的最大變形曲線如圖6所示，壓力—變形數據如表2所示。

在一定的豎直向下的壓力范圍內，無損傷鋁蜂窩結構試件的最大變形和有損傷鋁蜂窩結構試件的最大變形均與壓力P呈線性比例關系，隨著壓力P的增大，最大變形逐漸增大，該結果與懸臂梁最大撓度的理論計算分析相吻合。壓力P分別取100、300、500、700 N時，無損傷鋁蜂窩結構試件和有損傷鋁蜂窩結構試件的應變、應力變化規律如圖7～10所示。

無損傷鋁蜂窩結構試件和有損傷鋁蜂窩結構試件受豎直向下的壓力P時，應變、應力主要分布于靠近固定端的增強體處，基體上的應變、應力沒有明顯變化，靠近固定端產生的應變、應力最大，自由端產生的應變、應力最小，由自由端到固定端方向，產生的應變、應力逐漸變大，且在固定端由中線面到上下表面的應變、應力逐漸增大，較大值主要集中在靠近固定端的上下表面膠層處。在一定的豎直向下的壓力范圍內，無損傷和有損傷的鋁蜂窩結構試件應變與應力的變化規律基本相同。該結果表明，有20 mm大小的脫粘損傷基本上不會影響鋁蜂窩結構試件的應變、應力變化規律。

無損傷和有損傷的鋁蜂窩結構試件應變最大值位置基本上未發生改變；無損傷和有損傷的鋁蜂窩結構試件的應力最大值位置發生了明顯改變，無損傷鋁蜂窩結構試件的應力最大值位于靠近固定端的下表面膠層處，有損傷鋁蜂窩結構試件的應力最大值位于靠近固定端的中線面處，由此推斷有20 mm大小的脫粘損傷可能會影響應力最大值的分布，進而影響因受力而產生的新的損傷的分布。鋁蜂窩結構試件未發生應力奇異，該結果進一步表明鋁蜂窩結構試件的受力由復合材料的基體傳遞給了復合材料的增強體，符合復合材料中力的傳遞路徑。

針對懸臂梁，理論分析認為固定端屬于應力集中處，應變、應力最大處位于固定端，但鋁蜂窩結構試件的應變最大值、應力最大值位置發生了明顯變化，推測原因是蜂窩芯以及上下表面膠層的作用改變了應變最大值、應力最大值的分布。壓力P分別取100、300、500、700 N時的應變最大值、應力最大值如圖11、圖12所示，壓力—應變數據、壓力—應力數據分別如表3、表4所示。

在一定的豎直向下的壓力范圍內，應變、應力與壓力P呈線性比例關系，隨著壓力P的增大，最大應變、最大應力逐漸增大。根據應力、應變計算公式與撓度計算公式，可進一步驗證上述結果的正確性。該結果與懸臂梁的應變、應力理論計算分析相吻合。

圖13～18展示了無損傷鋁蜂窩結構試件和有損傷鋁蜂窩結構試件中蜂窩芯和上表面膠的變形、應變、應力變化規律。

由圖13和圖14可知，無損傷鋁蜂窩結構試件和有損傷鋁蜂窩結構試件中蜂窩芯、上表面膠的變形規律與鋁蜂窩結構試件整體變形規律相同。由圖15～18可知，無損傷鋁蜂窩結構試件和有損傷鋁蜂窩結構試件中蜂窩芯的應變較大值、應力較大值主要分布于靠近固定端的位置，表明該處容易產生損傷。由圖15～18和圖7～10可知，無損傷鋁蜂窩結構試件和有損傷鋁蜂窩結構試件中上表面膠的應變、應力分布規律與基體的應變、應力分布規律相同。

3" " 結束語

本文研究了鋁蜂窩結構試件在彎曲狀態下的變形、應變、應力狀態分布規律，給出了在彎曲狀態下變形、應變、應力最大值的分布形式，找出了鋁蜂窩結構試件在無損傷和有損傷彎曲狀態下的損傷分布規律，分析了蜂窩芯、上表面膠在無損傷和有損傷時處于彎曲狀態和側壓狀態的變形、應變、應力分布規律，獲得了鋁蜂窩結構試件在無損傷和有損傷時彎曲狀態下的變形曲線、應變曲線、應力曲線。該損傷規律可為快速定位鋁蜂窩結構損傷部位并開展檢測工作提供理論指導和依據，提高檢測效率，以更好更快地完成無損檢測工作。

[參考文獻]

[1] 楊乃賓，章怡寧.復合材料飛機結構設計[M].北京：航空工業出版社，2002.

[2] 鄭曉玲.民用飛機復合材料結構設計與驗證[M].上海：上海交通大學出版社，2011.

[3] 沈真，張曉晶.復合材料飛機結構強度設計與驗證概論[M].上海：上海交通大學出版社，2011.

[4] 沈建中，林俊明.現代復合材料的無損檢測技術[M].北京：國防工業出版社，2016.

[5] ICARDI U，FERRERO L.Impact Analysis of Sandwich Composites Based on a Refined Plate Element with Strain Energy Updating[J].Composite Structures， 2009，89（1）：35-51.

收稿日期：2024-03-20

作者簡介：張聯合（1989—），男，山東沂水人，碩士研究生，高級工程師，從事復合材料工藝研發工作。