劉奕辰+張勇+王曉成+陸思曉+胡增榮

摘 要：蜂窩板材一般是由上、下面板和中間具有一定空間結(jié)構(gòu)的軟夾芯構(gòu)成。蜂窩芯單元的形狀有正六邊形、矩形、菱形、三角形和復(fù)合型等。蜂窩材料是典型的多胞材料，具有良好的抗壓特性。文章使用Solidworks中的simulation模塊對(duì)不同形狀芯材的蜂窩板進(jìn)行有限元分析，研究不同形狀的蜂窩芯在胞壁厚度與面板厚度相同的情況下的平面壓縮性能。仿真結(jié)果表明，不同形狀蜂窩芯的性能有較為明顯的差別。在工業(yè)中，恰當(dāng)?shù)剡x擇蜂窩芯的形狀可以既滿足設(shè)計(jì)要求又能節(jié)約成本。

關(guān)鍵詞：平面壓縮性能；Solidworks仿真；蜂窩材料

中圖分類號(hào)：TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0049-02

多孔金屬材料具有很好的平面壓縮性能，所以，它可以用來(lái)制造結(jié)構(gòu)板、內(nèi)外表板等。很多研究者對(duì)蜂窩壁板材料進(jìn)行了深入研究，并取得了一定研究成果。如張新春，劉穎等對(duì)正三角形蜂窩、正六邊形蜂窩、Kagome蜂窩三種蜂窩芯形狀的蜂窩板進(jìn)行了沖擊性能試驗(yàn)，主要探究壁板對(duì)沖擊能量的吸收能力；董彥鵬，呂振華等基于蜂窩材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了夾層結(jié)構(gòu)抗爆炸沖擊特性優(yōu)化設(shè)計(jì)分析有限元模擬，研究了蜂窩材料在受到高強(qiáng)度沖擊載荷時(shí)其胞壁結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性和塑性變形同時(shí)對(duì)沖擊能量的吸收；張大軍，余同希等研究了蜂窩材料面外受壓時(shí)初始彈性失穩(wěn)載荷的計(jì)算，通過(guò)公式驗(yàn)證了任意尺寸蜂窩的失穩(wěn)載荷；林曉虎，楊慶生在航空航天夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的研究現(xiàn)狀中闡述蜂窩芯胞元形狀對(duì)蜂窩材料的動(dòng)力學(xué)性能的影響，總結(jié)了蜂窩壁板上應(yīng)力和位移隨沖擊速度的增加而產(chǎn)生的變化；沈真等建議使用拐點(diǎn)附近的性能建立復(fù)合材料層壓板抗沖擊性能的評(píng)定體系，即可以用表面層在受力下保持其完整性的最大能力（最大接觸力）來(lái)表征復(fù)合材料體系的損傷阻抗（韌性）；周彬等對(duì)不同材質(zhì)的鋁蜂窩進(jìn)行了平面壓縮和三點(diǎn)彎曲性能研究，驗(yàn)證了不同的材質(zhì)對(duì)蜂窩壁板的力學(xué)性能有較大的影響；何強(qiáng)，馬大為等對(duì)功能梯度蜂窩材料的面內(nèi)沖擊性能及其他力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

本文基于Solidworks軟件的分析模塊，對(duì)并不同種類的蜂窩壁板材料進(jìn)行平面壓縮性能模擬和對(duì)比。

1 Solidworks仿真

通過(guò)Solidworks軟件建立蜂窩板的模型，通過(guò)simulation進(jìn)行有限元分析。為了簡(jiǎn)化分析，采用均布載荷進(jìn)行仿真分析。

材料是6061鋁合金。蜂窩板模型尺寸為500mm×500mm，厚度為20mm。兩側(cè)面板厚度為2mm，中間的蜂窩芯厚度為16mm，單側(cè)胞壁厚度為1mm，胞壁面板厚度比值為0.5。常規(guī)形狀的蜂窩芯的體積為0.00044149m3，面板體積為0.0005m3，密度為2700kg/m3，因此總質(zhì)量為3.89kg。

平面壓縮模擬具體設(shè)置如下：壁板上表面受1.52×106N的均布載荷，即壓強(qiáng)為6.08MPa，壁板下底面進(jìn)行固定約束。

2 仿真分析結(jié)果及討論

不同蜂窩芯壁板平面壓縮模擬結(jié)果：

在相應(yīng)的載荷作用下，模擬得出最大應(yīng)力5.515×107N/m2，最大合位移0.0124mm，最大應(yīng)變?yōu)?.58193×10-4。

蜂窩壁板在仿真后的等效應(yīng)力分布如圖1a所示，可以看出，蜂窩壁板面內(nèi)的應(yīng)力分布較為均衡。此外，在蜂窩壁板受力后，應(yīng)力自壁板中心層向兩面逐一遞減。通過(guò)探測(cè)得知，壁板中心截面處應(yīng)力最大，其值約為5.515×107N/m2。

蜂窩壁板在仿真后的最終等效位移如圖1b所示，蜂窩壁板的形變和普通的實(shí)心板相似，都呈現(xiàn)均勻下移的等效位移。由于芯層為空心結(jié)構(gòu)，相對(duì)變化較大。壁板的上面板位移量最大，其值約為0.0124mm，下面板受到固定處最小，值為0mm。

3 其他蜂窩壁板模擬結(jié)果

狹義上的蜂窩通常指六角變形，廣義地說(shuō)蜂窩芯結(jié)構(gòu)可分為以下幾種類型：六角形蜂窩、菱形蜂窩、矩形蜂窩、三角形蜂窩、Kagome蜂窩、圓形蜂窩等。

以下對(duì)這幾種形狀的蜂窩芯分別進(jìn)行仿真分析與對(duì)比。

3.1 三角形蜂窩芯

為了便于比較，模型采用和正六邊形蜂窩壁板相同的胞壁與面板比值k（k=0.5），在同樣規(guī)格的壁板上受1.52×106N的力，并模擬實(shí)際情況將壁板下底面進(jìn)行固定（下文其余形狀蜂窩芯均采用此條件）。蜂窩芯采用正三角形結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)40mm，單側(cè)胞壁厚度為1mm。其總體積為0.00166711m3，密度為2700kg/m3，總質(zhì)量為4.5012kg。在相應(yīng)的載荷作用下，模擬得出最大應(yīng)力3.727×107N/m2，最大合位移0.0083mm，最大應(yīng)變?yōu)?.615×10-4。

蜂窩壁板在仿真后的效果通過(guò)分析可以得出，正三角形蜂窩壁板的應(yīng)力分布與位移變化與六邊形蜂窩芯大體一致，相對(duì)來(lái)說(shuō)位移的變化量較小。由于正三角形蜂窩芯算是在六邊形的基礎(chǔ)上增加受力梁，再加上是三角形結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，抗壓性能相對(duì)好些，受到壓力時(shí)形變量較小，但所用材料相對(duì)較多。

3.2 矩形蜂窩芯

模擬繪制矩形蜂窩壁板，蜂窩芯采用正四邊形結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)20mm，單側(cè)胞壁厚度為1mm。其總體積為0.00176m3，密度為2700kg/m3，總質(zhì)量為4.752kg。在相應(yīng)的載荷作用下，模擬得出最大應(yīng)力2.765×107N/m2，最大合位移0.00721mm，最大應(yīng)變?yōu)?.82783×10-4。

正四邊形蜂窩壁板的應(yīng)力分布與位移變化也與六邊形蜂窩芯大體一致。其最大應(yīng)力相比較小，整體承受較為均勻的載荷，但所用芯材多出近一倍。

3.3 菱形蜂窩芯

模擬繪制菱形蜂窩壁板，蜂窩芯采用內(nèi)角為60度的菱形結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)20mm，單側(cè)胞壁厚度為1mm。其總體積為0.001871069m3，密度為2700kg/m3，總質(zhì)量為5.05189kg。在相應(yīng)的載荷作用下，模擬得出最大應(yīng)力2.752×107N/m2，最大合位移0.00632mm，最大應(yīng)變?yōu)?.4722×10-4。

菱形蜂窩壁板的應(yīng)力分布與位移變化與矩形蜂窩壁板非常相近。菱形蜂窩芯算是特殊的四邊形，相比較正四邊形，其同等材料下所圍成幾何圖形的面積較小，從而在同一塊空間內(nèi)所需材料較多。相對(duì)的，它的力學(xué)性能比矩形蜂窩性要好，位移量略低于矩形芯材。但這兩種蜂窩芯有一個(gè)共同點(diǎn)，就是它們的對(duì)抗切應(yīng)力的能力較弱，特別在四周區(qū)域內(nèi)，其最小應(yīng)變同比較大，以至于受到不垂直于面板的力時(shí)，性能不理想。

3.4 圓形蜂窩芯

為了使其質(zhì)量與六邊形蜂窩大體一致，蜂窩芯采用直徑87mm的圓形結(jié)構(gòu)，單側(cè)胞壁厚度為1mm。其總體積為0.001446647m3，密度為2700kg/m3，總質(zhì)量為3.906kg。經(jīng)過(guò)運(yùn)算分析后，Solidworks生成運(yùn)算圖解。在相應(yīng)的載荷作用下，模擬得出最大應(yīng)力4.7958×107N/m2，最大合位移0.00958mm，最大應(yīng)變?yōu)?.39529×10-4。

圓蜂窩壁板的應(yīng)力分布與位移變化較其他幾種蜂窩芯材質(zhì)有所區(qū)別。由于胞壁并不是平面，再加上單個(gè)胞元之間不呈現(xiàn)固定胞壁厚度，其平面上的應(yīng)力分布較為不均。因胞壁較厚，可以承受較大壓力，在同等材料質(zhì)量的前提下，圓形蜂窩壁板位移變形也相對(duì)較小。由于圓形結(jié)構(gòu)在切面上受力相對(duì)穩(wěn)定，力學(xué)性能較為突出，因此承受切向上的力時(shí)不易變形。

3.5 Kagome蜂窩芯

模擬繪制菱形蜂窩壁板，蜂窩芯采用Kagome結(jié)構(gòu)。Kagome蜂窩是一種較為新型的復(fù)合蜂窩芯合成的蜂窩壁板，綜合了六邊形和三角形結(jié)構(gòu)，其各種邊的邊長(zhǎng)為20mm，單側(cè)胞壁厚度為1mm。其總體積為0.001661359m3，密度為2700kg/m3，總質(zhì)量為4.48567kg。在相應(yīng)的載荷作用下，模擬得出最大應(yīng)力4.28×107N/m2，最大合位移0.01243mm，最大應(yīng)變?yōu)?.15693×10-4。

其仿真結(jié)果大致相似。在質(zhì)量略大于六邊形蜂窩壁板的情況下，其最小應(yīng)變同比非常低。由于附帶三角形結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了整體的穩(wěn)定，其最大位移相對(duì)減少，整體變形量相比六邊形較低。由于單各胞元結(jié)構(gòu)的不同，其受力后應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致了質(zhì)量相同的Kagome蜂窩在受到線性增長(zhǎng)壓力后，會(huì)先于正六邊形蜂窩壁板產(chǎn)生塑性變形，同比抗壓的能力較弱。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了各種蜂窩芯類型的蜂窩壁板的平面壓縮性能。通過(guò)Solidworks建模以及simulation分析了各種蜂窩壁板受力后的等效應(yīng)力，位移和應(yīng)變，得到了相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如匯總的表1所示，可以得出以下結(jié)論：

（1）在蜂窩壁板受力后，應(yīng)力自壁板中心層向兩面逐一遞減，等效應(yīng)力在同一平行與面板的截面內(nèi)分布較為均勻。蜂窩壁板的形變和普通的實(shí)心板相似，都呈現(xiàn)較為均勻的位移。

（2）相對(duì)于其他形狀的蜂窩芯，常規(guī)六邊形蜂窩板平面壓縮性能較好，其所用材料少，應(yīng)變較低。

（3）圓形蜂窩板，在承受壓力后的位移變化量比同等質(zhì)量下的多邊形蜂窩小，整個(gè)壁板抗壓屈服強(qiáng)度也較高。雖然制造緊密排布圓形蜂窩板時(shí)用材較多，但圓形蜂窩芯抵抗切應(yīng)力的能力突出，承重能力強(qiáng)，若能不考慮材料質(zhì)量，可以選擇圓形的蜂窩芯。

（4）由表1還可以看出，芯質(zhì)量與最大應(yīng)力近乎成反比關(guān)系，與壁板的屈服應(yīng)力成正比。