釬焊鋁蜂窩夾層板的平壓變形過程分析

陳李橋， 熊履搏

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁工程系，四川成都 610031)

蜂窩結(jié)構(gòu)為芯層的蜂窩夾層板，其靈感來(lái)源于天然六邊形蜂窩。以鋁合金制成的蜂窩鋁板由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)不但在同等體積的其他材料中質(zhì)量最輕，且剛度和整體穩(wěn)定性都非常好，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，還具有隔音、隔熱性能。鋁合金既沒有放射性，也可以完全回收重復(fù)利用，節(jié)約資源和能源，這使得蜂窩鋁板成為一種節(jié)能、環(huán)保、健康的新材料。并且用焊接法制造的蜂窩鋁板，其接頭為冶金結(jié)合，克服了傳統(tǒng)膠粘蜂窩鋁板強(qiáng)度、使用壽命及允許的工作環(huán)境在很大程度上受膠粘劑制約的缺點(diǎn)。因此，該結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用在航空、航天、交通運(yùn)輸、建筑、軍事等領(lǐng)域[1-7]。本文以應(yīng)用最為廣泛的正六邊形蜂窩夾芯的釬焊鋁蜂窩夾層板為研究對(duì)象，對(duì)其平壓變形過程進(jìn)行了模擬分析，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 釬焊鋁蜂窩夾層板及蜂窩芯子釬焊結(jié)構(gòu)示意

1 釬焊鋁蜂窩夾層板平壓變形過程的有限元模擬

釬焊鋁蜂窩夾層板模型結(jié)構(gòu)尺寸為94 mm×94 mm×50 mm，其上、下面板厚度為2 mm，六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)為6 mm，壁厚為0.2 mm，并考慮釬焊焊料的厚度為0.2 mm?；谄浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，蜂窩結(jié)構(gòu)采用殼單元，上、下面板采用實(shí)體單元，釬焊鋁蜂窩夾層板有限元模型見圖2。

圖2 釬焊鋁蜂窩夾層板有限元模型

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分

上、下面板的實(shí)體單元和蜂窩結(jié)構(gòu)的殼單元通過殼-實(shí)體耦合，模型的邊界條件為下面板完全固結(jié)；荷載通過對(duì)上面板在豎向施加10 mm的動(dòng)態(tài)位移實(shí)現(xiàn)。由于在平壓過程中發(fā)生了塑性變形，其材料特性已經(jīng)進(jìn)入材料非線性階段，所以選用vonMises屈服準(zhǔn)則和各向同性硬化定律[8]。對(duì)模型的蜂窩結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行四邊形自由網(wǎng)格劃分，面板結(jié)構(gòu)進(jìn)行六面體掃掠劃分，均采用進(jìn)階算法，避免鋁蜂窩夾層板由于各區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布的不同而導(dǎo)致分界面網(wǎng)格不規(guī)則，如圖3所示。

2 有限元仿真結(jié)果分析

2.1 平壓過程位移變化分析

釬焊鋁蜂窩夾層板的平壓過程經(jīng)歷了從彈性屈曲變形到塑性屈曲變形到整體失穩(wěn)再到密實(shí)化的4個(gè)階段。圖4(a)和圖4(b)中，從第1增量步時(shí)蜂窩結(jié)構(gòu)壁板就發(fā)生了變形，只是形變量不大，在圖中表現(xiàn)得不明顯。第1增量步到第50增量步蜂窩結(jié)構(gòu)壁板的變形程度逐漸增大，蜂窩結(jié)構(gòu)處于彈性屈曲變形階段。從第50增量步開始，蜂窩結(jié)構(gòu)壁板出現(xiàn)明顯變形，多蜂窩結(jié)構(gòu)壁板交匯處不再保持直線，彎曲變形越來(lái)越大，如圖4(c)所示，為塑性屈曲變形階段和失穩(wěn)階段。從圖4(d)中可以明顯看到相鄰壁板因塑性彎曲而相互接觸，蜂窩芯進(jìn)入塑性強(qiáng)化+密實(shí)化階段。

圖4 平壓過程變形情況

2.2 平壓過程Mises應(yīng)力云圖變化分析

在ABAQUS中得到壓縮變形過程的Mises應(yīng)力云圖，為了便于觀察中間蜂窩結(jié)構(gòu)的情況，以平行于XZ平面的截面在Y方向截取一半鋁蜂窩夾層板，如圖5所示。

圖5 Mises應(yīng)力云圖

蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布在同一壓縮量即同一時(shí)刻時(shí)，應(yīng)力最大的區(qū)域總是出現(xiàn)在蜂窩結(jié)構(gòu)壁板的交棱上，且靠近面板區(qū)域，而壁板其他部分的應(yīng)力值相對(duì)較小。如圖5(a)所示，壓縮量較小時(shí)，壁板交棱處出現(xiàn)應(yīng)力集中，集中區(qū)域呈島狀分布在靠近面板的區(qū)域。隨著壓縮量的增加，應(yīng)力集中區(qū)域不斷擴(kuò)大，島狀區(qū)域連接起來(lái)，并開始向壁板中部擴(kuò)展，如圖5(b)所示。隨著壓縮量的進(jìn)一步增大，基本擴(kuò)展到整個(gè)交棱、呈不規(guī)則形狀分布的應(yīng)力區(qū)域上出現(xiàn)了更大的應(yīng)力，它們剛出現(xiàn)時(shí)也成島狀分布在交棱靠近面板的區(qū)域，見圖5(c)。壓縮量繼續(xù)增加，應(yīng)力集中區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大，集中應(yīng)力的值不斷增大。更大的應(yīng)力仍然最先在交棱上集中，然后隨壓縮量的增加而沿交棱或向壁板中部擴(kuò)展。在整個(gè)平壓過程中，蜂窩結(jié)構(gòu)中部的應(yīng)力值始終相對(duì)交棱處較小。可見，蜂窩結(jié)構(gòu)在軸向壓力作用下，壁板交棱處受力最大，表現(xiàn)為應(yīng)力集中出現(xiàn)在交棱處。

3 釬焊鋁蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

3.1 確定優(yōu)化參數(shù)

釬焊鋁蜂窩夾層板的力學(xué)行為和性能取決于面板的厚度、中間蜂窩材料的性能和幾何因素。利用有限元軟件研究蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)、蜂窩夾層板面板厚度對(duì)釬焊鋁蜂窩夾層板平壓性能的影響。其中，邊長(zhǎng)分別取l=4 mm，l=6 mm，l=8 mm，面板厚度分別取t=0.1 mm，t=0.2 mm，t=0.3 mm。

3.2 蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)對(duì)平壓力學(xué)性能影響研究

為了研究蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)對(duì)釬焊鋁蜂窩夾層板性能的影響，對(duì)邊長(zhǎng)分別取l=4 mm，l=6 mm，l=8 mm的蜂窩結(jié)構(gòu)在不同面板厚度的情況下進(jìn)行有限元模擬。如圖6所示為蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)對(duì)平壓破壞載荷影響關(guān)系曲線。

圖6 不同邊長(zhǎng)有限元模擬結(jié)果

從圖中可以看出，當(dāng)蜂窩結(jié)構(gòu)壁板厚度相同時(shí)，鋁蜂窩夾層板抗壓能力隨著蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)的增加而下降，且蜂窩結(jié)構(gòu)壁板厚度越大，平壓破壞載荷隨蜂窩芯邊長(zhǎng)的增加而下降的速度越快，蜂窩芯邊長(zhǎng)對(duì)鋁蜂窩夾層板的抗壓能力影響越明顯；當(dāng)蜂窩芯邊長(zhǎng)小于6 mm時(shí)，蜂窩芯邊長(zhǎng)對(duì)蜂窩夾層板平壓強(qiáng)度的影響較邊長(zhǎng)大于6 mm時(shí)大，蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)對(duì)鋁蜂窩夾層板抗壓能力影響明顯。蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)增加，鋁蜂窩夾層板抵抗平壓能力下降，究其原因是因?yàn)樵趩挝幻娣e內(nèi)，蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)決定了參與承載蜂窩芯單元數(shù)量，而單元數(shù)量的多少?zèng)Q定了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整體平壓強(qiáng)度的大小。

3.3 蜂窩結(jié)構(gòu)壁板厚度對(duì)平壓力學(xué)性能影響研究

為了研究蜂窩結(jié)構(gòu)壁板厚度對(duì)鋁蜂窩夾層板平壓性能的影響，對(duì)蜂窩芯邊長(zhǎng)為l=4 mm，l=6 mm，l=8 mm的鋁蜂窩夾層板在不同蜂窩結(jié)構(gòu)壁厚t=0.1 mm，t=0.2 mm，t=0.3 mm的情況下進(jìn)行平壓模擬試驗(yàn)。圖7所示為蜂窩結(jié)構(gòu)壁厚對(duì)平壓破壞載荷影響關(guān)系曲線。

在蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)不變的情況下，鋁蜂窩夾層板抗壓破壞載荷隨著蜂窩結(jié)構(gòu)壁板厚度的增加而增加，兩者近似呈線性關(guān)系。蜂窩芯邊長(zhǎng)相同時(shí)，隨著蜂窩結(jié)構(gòu)壁板厚度增加，鋁蜂窩夾層板抗壓能力增加速度越來(lái)越慢。即壁板厚度越小，其對(duì)鋁蜂窩夾層板平壓性能的影響越顯著。蜂窩結(jié)構(gòu)在受到面外平壓載荷作用時(shí)，首先從單層蜂窩芯壁處開始發(fā)生變形失穩(wěn)，之后是雙層壁變形，當(dāng)雙層壁板達(dá)到其最大承載能力時(shí)，蜂窩芯壁板就會(huì)發(fā)生最終屈曲破壞。在鋁蜂窩夾層板受壓過程中，增加蜂窩結(jié)構(gòu)壁板厚度將直接影響到鋁蜂窩夾層板屈曲臨界載荷的大小。

圖7 不同厚度有限元模擬結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)釬焊鋁蜂窩夾層板的蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)、蜂窩夾層板面板厚度對(duì)釬焊鋁蜂窩夾層板平壓性能的影響開展研究，建立有限元模型，分析邊長(zhǎng)分別取l=4 mm，l=6 mm，l=8 mm，面板厚度分別取t=0.1 mm，t=0.2 mm，t=0.3 mm時(shí)對(duì)釬焊鋁蜂窩夾層板平壓性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)蜂窩結(jié)構(gòu)壁板厚度相同時(shí)，鋁蜂窩夾層板抗壓能力隨著蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)的增加而下降。

(2)當(dāng)蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)不變的情況下，鋁蜂窩夾層板抗壓破壞載荷隨著蜂窩結(jié)構(gòu)壁板厚度的增加而增加，兩者近似呈線性關(guān)系。