异质金属曲面夹层板上面板抗撞性能研究及多目标优化

甘代伟

（陕西国防工业职业技术学院，西安 710302）

异质金属曲面夹层板上面板抗撞性能研究及多目标优化

甘代伟

（陕西国防工业职业技术学院，西安 710302）

异质金属曲面夹层板具有优越的综合性能（比刚度高、耐撞性、轻质等），在航空、航天、高速列车、船舶等领域得到广泛应用。针对异质金属曲面夹层板上面板，进行了碰撞载荷作用下的性能研究。采用有限元数值模拟的方法对碰撞过程中不同上面板参数夹层板的综合性能进行数值求解计算，并利用响应面方法构建了上面板综合指标近似函数，从而得到上面板参数对夹层板抗撞性能影响规律。

异质金属曲面夹层板；抗撞性能；有限元；响应面

0 引言

金属夹层板本质上属于结构规则有序的超轻多孔材料，具有超轻质、高比刚度、高比表面积等特点，同时具有优良的抗冲击、隔热、隔音、吸能减震等性能[1,2]。因此，在航空航天、交通运输、机械、建筑等领域获得广泛应用。异质金属夹层板是由高强度的面板材料和低强度低密度的夹心材料组成，被广泛的应用于车辆结构中。

国内外对异质金属夹层板抗撞性能优化研究的不多，D.Karagiozova[3]等人利用有限元法分析了夹层结构在爆炸中的性能，结果表明，在夹芯结构一定时，传到底面板的载荷大小取决于爆炸产生的载荷大小、夹芯的厚度和夹层板的弯曲刚度等；G.Belingardi[4]研究了高速列车头部的夹层结构的碰撞性能，夹层结构的面板为玻璃纤维树脂面板，夹芯为聚合泡沫，试验结果表明夹层结构的碰撞性能主要依赖于泡沫夹芯材料的强度性能，在泡沫夹芯中增加一层树脂墙可以增加夹层结构的抗冲击性能；Patrick M.Schubel[5]评估了夹层结构在碰撞之后结构的残余机械性能，结果显示，夹层结构碰撞后产生的面板层分离对夹层板的承载载荷非常不利。吴存利等[6]将波纹板刚度输入到MSC/NASTRAN材料卡中，并对波纹板结构进行有限元建模分析。同济大学的王文斌[7]和大连交通大学的谢素明[8]对列车车厢夹层板的碰撞性能进行了优化研究，以吸能结构的壁厚作为设计变量，内能为目标函数，最终优化出吸能壁厚为3.5mm时，吸能最大。

研究发现夹层板结构的不同对其抗撞性能影响显著，深入研究不同形状夹层板对其抗撞性能的影响规律，对夹层板的优化设计有着重要意义。因此，本文以高铁车体的车厢板为对象，研究了不锈钢、铝合金上面板和铝合金夹芯组成的异质金属曲面夹层的结构参数对其抗撞性能的影响规律，最后优化得到一组最优的夹层板参数，可以保证此结构夹层板有最好的抗撞特性。

1 异质金属夹层板碰撞模型的建立

本文研究所采用的有限元模型先通过CAD软件Pro/ E建模（如图1所示），再转换成通用格式iges文件导入ANSYS（如图2所示）进行模拟计算。这样做是因为ANSYS的建模过程较为繁琐，影响工作效率，而且两个软件之间有专用的接口，模型导入的效果好。

图1 Pro/E中建立的模型

1.1 模型参数的设计

本文所采用的异质金属曲面夹层板所采用的模型是通过平面波纹板扭曲所得。参考高铁车体两车窗间侧墙模型，平面波纹夹芯的尺寸大小为440×560×50mm，波纹顶角θ为85°，夹层板弯曲角度α，夹心层波纹材料为铝合金厚度d为3mm，下面板材料为铝合金厚度4mm，上面板由不锈钢层和铝合金层组成厚度2mm，其中铝合金层厚度为t1，不锈钢层的厚度为t2。模型如图3所示，为了方便表示，曲面波纹夹层板的参数延用平面波纹板。

图2 导入ANSYS后的模型

图3 异质金属夹层板示意图

1.2 材料参数的设定及模型的网格划分

材料参数取自文献[9]。由于需要研究结构的弹塑性变形阶段，因此建立材料模型时需要输入材料的应力应变曲线。材料的应力应变数据如表1所示 。

模型划分单元网格时选用SOLID 187单元，该单元为含中间节点的四面体单元，适用与曲面实体的网格划分。模型网格划分结果如图4所示。

2 异质金属曲面夹层板上面板抗撞性能结构优化

描述异质金属夹层板抗撞性能指标主要有上面板中心在撞击方向上的位移、速度、应力，以及结构的弹、塑性应变，结构的吸能，结构质量等。其中，结构的吸能表征了异质金属夹层板总体吸能能力；中心点位移、结构的塑性应变表征了异质金属夹层板局部最大抗变形能力；中心点应力表征了异质金属夹层板，在碰撞中局部应力分布。

表1 异质金属夹层板上面板选用材料的应力应变数据

图4 有限元网格模型

以上四个指标对于异质金属夹层板抗碰撞能力的描述，都有十分重要的意义。例如，当异质金属夹层板最大变形超过某一极限时，将导致异质金属夹层板结构的坍塌，不再具有异质金属夹层板的特性。当异质金属夹层板最大应力分布超过某一极限时，甚至可能导致异质金属夹层板面板开裂、面板与夹芯结构焊接部位脱开。

2.1 上面板抗撞性能研究及综合指标函数响应面法拟合

模型的参数设计使用2因素3水平的全因子实验设计，即总共有9组模型。2因素分别为上面板铝合金厚度t1和夹层板弯曲角度α，t1的下限取现有工艺能达到的最小值0.75mm，水平取0.25mm，即t1的范围为0.75mm～1.25mm，保证上面板总厚度2mm。α的范围取模拟中指标出现极值的范围40°～60°，水平为10°。具体的分组编号及对应的参数如表2所示。

表2 异质金属夹层板上面板模型编号及对应参数

模拟结果如表3所示。为综合考虑曲面波纹夹层板的抗撞性，采用线性加权的方法将多目标优化转化成单一综合指标优化。本文针对板的抗撞性采用的线性加权函数为：

表3 异质金属夹层板上面板抗撞性模拟结果

表4 异质金属夹层板上面板抗撞性综合指标结果

对结果采用二次响应面近似，可得综合指标的近似函数：

2.2 上面板参数对夹层板抗撞性能的影响分析

根据式(2)可以得到上面板综合指标与2个变量的响应面关系曲面如图5所示。由图5可以发现随着不锈钢厚度的增加，异质金属夹层板抗撞性能随之提高，对局部最大应力的改善有显著效果。因为有高强度不锈钢面板覆盖在夹心铝板上，保证夹心铝板承受面载荷，所以在加载过程中上、下面板基本没有塑性变形，塑性变形主要发生在支撑脊的位置，同时不锈钢面板层厚度的增加，延迟夹心铝板的塑性变形。夹层板曲角度对抗撞性能的影响不大，且在40°～60°时会发生畸变。

图5 异质金属夹层板上面板抗撞性综合指标/结构变量响应面

3 结论

本文针对异质金属曲面夹层板上面板，进行了碰撞载荷作用下的性能研究。采用有限元数值模拟的方法对碰撞过程中不同上面板参数夹层板的综合性能进行数值求解计算，并利用响应面方法构建了上面板综合指标近似函数，从而得到上面板两个参数t1、α对夹层板抗撞性能影响规律。

研究发现：

1）随着上面板弯曲角度的增大，抗撞性综合指标先增大后减小，在弯角为52°时达到峰值。

2）随着不锈钢厚度的增加，异质金属夹层板抗撞性能随之提高，对局部最大应力的改善有显著效果；随着铝合金厚度的增大，抗撞性综合指标先减小后增大，在不锈钢层厚度为0.99，铝合金层厚度为1.1mm时取最小值。

参考文献：

[1] 陈勇军,左孝青,史庆南,宿罡,王茗.金属蜂窝的开发、发展及应用[J].材料导报,2003,17(12)：32-35.

[2] 卢天健,何德坪,陈常青,赵长颖,方岱宁,王晓林.超轻多孔金属材料的多功能特性及应用[J].力学进展,2006,36(4)：517-535.

[3] Karagiozova D.,Nurick G. N., Langdon G. S. Behaviour of sandwich panels subject to intense air blasts - Part 2： Numerical simulation[J].Composite StructuresSixth International Conference on Composite Science and Technology,2009,91(4)：442-450.

[4] Belingardi G., Cavatorta M. P., Duella R. Material characterization of a composite-foam sandwich for the front structure of a high speed train[J].Composite StructuresImpact on Composites 2002,2003,61(1-2)：12-25.

[5] Schubel P. M., Luo J. J.,Daniel I. M. Impact and post impact behavior of composite sandwich panels[J].COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING,2007, 38(3)：1051-1057.

[6] 吴存利,段世慧,孙侠生.复合材料波纹板刚度工程计算方法及其在结构分析中的应用[J].航空学报,2008,29(6)：1570-1575.

[7] 王文斌,赵洪伦.高速客车轻量化车体耐碰撞结构的优化设计[J].同济大学学报(自然科学版),2004,32(11)：1499-1503.

[8] 谢素明,王庆艳,陈秉智,兆文忠.客车车体碰撞吸能结构优化设计方法研究[J].现代制造工程,2007,(5)：113-115.

[9] 李人宪,赵晶,刘杰,张卫华.高速列车会车压力波对侧窗的影响[J].北京：机械工程学报,2010,46(4)：87-92.

Investigation on the crashworthiness properties and multi-objective optimization of panel on heterogeneous metal curved sandwich board

GAN Dai-wei

TH142

：A

：1009-0134(2017)05-0098-03

2017-03-30

甘代伟（1983 -），男，福建宁德人，讲师，工程硕士，研究方向为异质金属曲面波纹夹层板。