复合材料蜂窝夹芯板仿真技术研究

梁伟 张俊

摘要：蜂窝具有密度小、刚度大的特点，广泛用于航空航天、船舶等领域，在结构轻量化设计中发挥着突出的作用，目前主要应用于蒙皮、地板、内饰等结构中。本文采用一种实体等效方法对芳纶纸蜂窝夹芯板结构的力学特性进行建模，并通过仿真分析及试验进行验证，通过研究得出采用蜂窝结构实体等效分析方法时，随蜂窝板厚度增加误差值减小，且此种等效分析结果抬高了材料刚度值，需对结果进行修正。

关键词：蜂窝结构;等效;仿真;试验

引言

蜂窝作为芯材，被广泛应用于航空航天、船舶车辆以及建筑装潢等领域，具有密度小刚度大的特点。工程上常用的蜂窝为铝蜂窝，由铝的合金板粘接而成，目前在飞机和航天器比较常见，主要起承力和缓冲的作用。这种板相对传统铝合金板，可有效减小飞机和航天器的整体重量，具有重要的意义。除铝蜂窝外，纸蜂窝和陶瓷蜂窝也是近些年来较为新兴的蜂窝。纸蜂窝具有成本低，可回收，绿色环保的优点，常用于航空器座舱内饰板、电器舱隔板等。本文主要研究芳纶纸蜂窝夹芯板的弯曲特性。

目前针对蜂窝结构的仿真分析均存在不同程度的误差，典型的复合材料失效准则包含，Gose提出了应变不变量失效准则，将基体的失效分为膨胀失效和扭曲失效，在细观层面利用应变判断纤维和基体的破坏;Mayes等发展了跨尺度失效准则MCT，通过细观力学理论分别导出了纤维和基体的本构关系，采用二次应力准则分别判断其失效;Wang将纤维失效分为拉伸失效和压缩失效，基体失效分为膨胀失效和扭曲失效，考虑了聚合物基树脂扭曲失效对压力的敏感性，采用修正的Von Mises屈服准则判断基体的失效;Ha等提出了细观失效准则MMF，同时考虑了纤维、基体和界面的失效，并建立了相应的损伤演化准则。目前跨尺度失效准则在复合材料结构断裂和耐久性分析中得到了一定的应用，特别是讨论温度和纤维体积含量对材料性能影响时其具有显著的优势。然而目前跨尺度失效准则尚不成熟，宏、细观的转化及细观失效模式的判定等方面尚存在很多问题。

本文通过试验方法测试不同密度、不同厚度的蜂窝夹芯板结构弯曲剛度，并采用有限元单元等效方法，采用试验件同尺寸模型进行仿真计算，对比试验与仿真结果，对仿真方法进行修正，最终得到误差较小的等效模型，为后续蜂窝结构件设计提供数据依据。

1蜂窝结构仿真原理

虽然蜂窝芯层很软，但由于它相对蒙皮而言具有较大的厚度，因此忽略其面内刚度和弯曲刚度必然会导致不可忽视的误差。三明治夹心板理论是对蜂窝夹芯进行等效的一种有效方法，假定芯层能抵抗横向剪切变形并且具有一定的面内刚度，上、下蒙皮层服从Kirchhoff假设，忽略其抵抗横向剪应力的能力，则蜂窝芯层可以等效为一均质的厚度不变的正交异性层。

由上表可知，采用实体等效方法进行芳纶纸蜂窝仿真分析，在线性分析过程中，其误差最大为19%，且均为正值，表明实体等效方法较原结构刚度有所提升，因为此种分析方法未考虑层间胶接属性，简化为实体固接。因此采用此种方法分析蜂窝结构时，安全裕度要求应随厚度降低而逐渐提高，确保结构的安全性。

4总结

本文以蜂窝夹芯板结构为研究对象，对实体等效建模仿真计算方法进行验证，通过理论分析、仿真计算结合试验得出以下结果：

（1）采用实体等效方法能够实现蜂窝夹芯结构的仿真分析，计算结果具备参考价值。

（3）随蜂窝厚度增加，由于刚度提升，其分析误差值逐步减小。

（2）蜂窝等效模型刚度较原状态提升，因此在蜂窝夹芯结构的设计过程中应提高安全裕度要求。

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（作者单位：航空工业昌河飞机制造集团有限责任公司）