不同形状芯材的蜂窝壁板平面压缩性能研究

刘奕辰+张勇+王晓成+陆思晓+胡增荣

摘 要：蜂窝板材一般是由上、下面板和中间具有一定空间结构的软夹芯构成。蜂窝芯单元的形状有正六边形、矩形、菱形、三角形和复合型等。蜂窝材料是典型的多胞材料，具有良好的抗压特性。文章使用Solidworks中的simulation模块对不同形状芯材的蜂窝板进行有限元分析，研究不同形状的蜂窝芯在胞壁厚度与面板厚度相同的情况下的平面压缩性能。仿真结果表明，不同形状蜂窝芯的性能有较为明显的差别。在工业中，恰当地选择蜂窝芯的形状可以既满足设计要求又能节约成本。

关键词：平面压缩性能；Solidworks仿真；蜂窝材料

中图分类号：TB31 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0049-02

多孔金属材料具有很好的平面压缩性能，所以，它可以用来制造结构板、内外表板等。很多研究者對蜂窝壁板材料进行了深入研究，并取得了一定研究成果。如张新春，刘颖等对正三角形蜂窝、正六边形蜂窝、Kagome蜂窝三种蜂窝芯形状的蜂窝板进行了冲击性能试验，主要探究壁板对冲击能量的吸收能力；董彦鹏，吕振华等基于蜂窝材料结构进行了夹层结构抗爆炸冲击特性优化设计分析有限元模拟，研究了蜂窝材料在受到高强度冲击载荷时其胞壁结构发生弹性和塑性变形同时对冲击能量的吸收；张大军，余同希等研究了蜂窝材料面外受压时初始弹性失稳载荷的计算，通过公式验证了任意尺寸蜂窝的失稳载荷；林晓虎，杨庆生在航空航天夹层结构抗冲击性能的研究现状中阐述蜂窝芯胞元形状对蜂窝材料的动力学性能的影响，总结了蜂窝壁板上应力和位移随冲击速度的增加而产生的变化；沈真等建议使用拐点附近的性能建立复合材料层压板抗冲击性能的评定体系，即可以用表面层在受力下保持其完整性的最大能力（最大接触力）来表征复合材料体系的损伤阻抗（韧性）；周彬等对不同材质的铝蜂窝进行了平面压缩和三点弯曲性能研究，验证了不同的材质对蜂窝壁板的力学性能有较大的影响；何强，马大为等对功能梯度蜂窝材料的面内冲击性能及其他力学性能进行了研究。

本文基于Solidworks软件的分析模块，对并不同种类的蜂窝壁板材料进行平面压缩性能模拟和对比。

1 Solidworks仿真

通过Solidworks软件建立蜂窝板的模型，通过simulation进行有限元分析。为了简化分析，采用均布载荷进行仿真分析。

材料是6061铝合金。蜂窝板模型尺寸为500mm×500mm，厚度为20mm。两侧面板厚度为2mm，中间的蜂窝芯厚度为16mm，单侧胞壁厚度为1mm，胞壁面板厚度比值为0.5。常规形状的蜂窝芯的体积为0.00044149m3，面板体积为0.0005m3，密度为2700kg/m3，因此总质量为3.89kg。

平面压缩模拟具体设置如下：壁板上表面受1.52×106N的均布载荷，即压强为6.08MPa，壁板下底面进行固定约束。

2 仿真分析结果及讨论

不同蜂窝芯壁板平面压缩模拟结果：

在相应的载荷作用下，模拟得出最大应力5.515×107N/m2，最大合位移0.0124mm，最大应变为6.58193×10-4。

蜂窝壁板在仿真后的等效应力分布如图1a所示，可以看出，蜂窝壁板面内的应力分布较为均衡。此外，在蜂窝壁板受力后，应力自壁板中心层向两面逐一递减。通过探测得知，壁板中心截面处应力最大，其值约为5.515×107N/m2。

蜂窝壁板在仿真后的最终等效位移如图1b所示，蜂窝壁板的形变和普通的实心板相似，都呈现均匀下移的等效位移。由于芯层为空心结构，相对变化较大。壁板的上面板位移量最大，其值约为0.0124mm，下面板受到固定处最小，值为0mm。

3 其他蜂窝壁板模拟结果

狭义上的蜂窝通常指六角变形，广义地说蜂窝芯结构可分为以下几种类型：六角形蜂窝、菱形蜂窝、矩形蜂窝、三角形蜂窝、Kagome蜂窝、圆形蜂窝等。

以下对这几种形状的蜂窝芯分别进行仿真分析与对比。

3.1 三角形蜂窝芯

为了便于比较，模型采用和正六边形蜂窝壁板相同的胞壁与面板比值k（k=0.5），在同样规格的壁板上受1.52×106N的力，并模拟实际情况将壁板下底面进行固定（下文其余形状蜂窝芯均采用此条件）。蜂窝芯采用正三角形结构，边长40mm，单侧胞壁厚度为1mm。其总体积为0.00166711m3，密度为2700kg/m3，总质量为4.5012kg。在相应的载荷作用下，模拟得出最大应力3.727×107N/m2，最大合位移0.0083mm，最大应变为4.615×10-4。

蜂窝壁板在仿真后的效果通过分析可以得出，正三角形蜂窝壁板的应力分布与位移变化与六边形蜂窝芯大体一致，相对来说位移的变化量较小。由于正三角形蜂窝芯算是在六边形的基础上增加受力梁，再加上是三角形结构相对稳定，抗压性能相对好些，受到压力时形变量较小，但所用材料相对较多。

3.2 矩形蜂窝芯

模拟绘制矩形蜂窝壁板，蜂窝芯采用正四边形结构，边长20mm，单侧胞壁厚度为1mm。其总体积为0.00176m3，密度为2700kg/m3，总质量为4.752kg。在相应的载荷作用下，模拟得出最大应力2.765×107N/m2，最大合位移0.00721mm，最大应变为3.82783×10-4。

正四边形蜂窝壁板的应力分布与位移变化也与六边形蜂窝芯大体一致。其最大应力相比较小，整体承受较为均匀的载荷，但所用芯材多出近一倍。

3.3 菱形蜂窝芯

模拟绘制菱形蜂窝壁板，蜂窝芯采用内角为60度的菱形结构，边长20mm，单侧胞壁厚度为1mm。其总体积为0.001871069m3，密度为2700kg/m3，总质量为5.05189kg。在相应的载荷作用下，模拟得出最大应力2.752×107N/m2，最大合位移0.00632mm，最大应变为3.4722×10-4。

菱形蜂窝壁板的应力分布与位移变化与矩形蜂窝壁板非常相近。菱形蜂窝芯算是特殊的四边形，相比较正四边形，其同等材料下所围成几何图形的面积较小，从而在同一块空间内所需材料较多。相对的，它的力学性能比矩形蜂窝性要好，位移量略低于矩形芯材。但这两种蜂窝芯有一个共同点，就是它们的对抗切应力的能力较弱，特别在四周区域内，其最小应变同比较大，以至于受到不垂直于面板的力时，性能不理想。

3.4 圓形蜂窝芯

为了使其质量与六边形蜂窝大体一致，蜂窝芯采用直径87mm的圆形结构，单侧胞壁厚度为1mm。其总体积为0.001446647m3，密度为2700kg/m3，总质量为3.906kg。经过运算分析后，Solidworks生成运算图解。在相应的载荷作用下，模拟得出最大应力4.7958×107N/m2，最大合位移0.00958mm，最大应变为5.39529×10-4。

圆蜂窝壁板的应力分布与位移变化较其他几种蜂窝芯材质有所区别。由于胞壁并不是平面，再加上单个胞元之间不呈现固定胞壁厚度，其平面上的应力分布较为不均。因胞壁较厚，可以承受较大压力，在同等材料质量的前提下，圆形蜂窝壁板位移变形也相对较小。由于圆形结构在切面上受力相对稳定，力学性能较为突出，因此承受切向上的力时不易变形。

3.5 Kagome蜂窝芯

模拟绘制菱形蜂窝壁板，蜂窝芯采用Kagome结构。Kagome蜂窝是一种较为新型的复合蜂窝芯合成的蜂窝壁板，综合了六边形和三角形结构，其各种边的边长为20mm，单侧胞壁厚度为1mm。其总体积为0.001661359m3，密度为2700kg/m3，总质量为4.48567kg。在相应的载荷作用下，模拟得出最大应力4.28×107N/m2，最大合位移0.01243mm，最大应变为6.15693×10-4。

其仿真结果大致相似。在质量略大于六边形蜂窝壁板的情况下，其最小应变同比非常低。由于附带三角形结构，加强了整体的稳定，其最大位移相对减少，整体变形量相比六边形较低。由于单各胞元结构的不同，其受力后应力分布不均，导致了质量相同的Kagome蜂窝在受到线性增长压力后，会先于正六边形蜂窝壁板产生塑性变形，同比抗压的能力较弱。

4 结束语

本文研究了各种蜂窝芯类型的蜂窝壁板的平面压缩性能。通过Solidworks建模以及simulation分析了各种蜂窝壁板受力后的等效应力，位移和应变，得到了相应的数据。如汇总的表1所示，可以得出以下结论：

（1）在蜂窝壁板受力后，应力自壁板中心层向两面逐一递减，等效应力在同一平行与面板的截面内分布较为均匀。蜂窝壁板的形变和普通的实心板相似，都呈现较为均匀的位移。

（2）相对于其他形状的蜂窝芯，常规六边形蜂窝板平面压缩性能较好，其所用材料少，应变较低。

（3）圆形蜂窝板，在承受压力后的位移变化量比同等质量下的多边形蜂窝小，整个壁板抗压屈服强度也较高。虽然制造紧密排布圆形蜂窝板时用材较多，但圆形蜂窝芯抵抗切应力的能力突出，承重能力强，若能不考虑材料质量，可以选择圆形的蜂窝芯。

（4）由表1还可以看出，芯质量与最大应力近乎成反比关系，与壁板的屈服应力成正比。