摘 要：【目的】蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)是一種外層為鋁板、中間為鋁蜂窩芯的三明治結(jié)構(gòu)。因其優(yōu)良的力學(xué)特性，在航空、汽車(chē)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為改善蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，對(duì)面外壓縮性能進(jìn)行研究?！痉椒ā渴褂糜邢拊M法探討孔棱邊長(zhǎng)、孔壁厚度、芯板高度和面板厚度對(duì)面外壓縮性能的影響?！窘Y(jié)果】研究表明，蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)的抗壓性能隨孔棱邊長(zhǎng)增加而降低，壓縮性能隨孔壁厚度增加而提升，面板厚度對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)壓縮性能基本無(wú)影響?！窘Y(jié)論】蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)的面外壓縮性能與孔棱邊長(zhǎng)和孔壁厚度有關(guān)，與面板厚度無(wú)關(guān)。

關(guān)鍵詞：蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)；面外壓縮性能；有限元模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：O3" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）12-0043-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.008

Study on the Out-of-plane Compression Performance of Honeycomb Aluminum Lightweight Sandwich Structure

WANG Haijiao1" " TAN Xueyou1" " WU Huairong2" " WEI Junchang2

（1.Guangxi University of Science and Technology， School of Innovation and Entrepreneurship，

Liuzhou 545006， China; 2.Guangxi University of Science and Technology， School of Mechanical and

Automotive Engineering， Liuzhou 545006， China）

Abstract： [Purposes] The honeycomb aluminum lightweight sandwich structure is a sandwich structure with an outer layer of aluminum plate and an aluminum honeycomb core in the middle. Due to its excellent mechanical properties， honeycomb aluminum lightweight sandwich structure has been widely used in aviation， automobile and other fields.In order to improve the mechanical properties of honeycomb aluminum sandwich structures， its out-of-plane compression performance were studied. [Methods] This study discusses the effects of hole edge length， hole wall thickness， core plate height， and panel thickness on the out-of-plane compressive performance through finite element simulation." [Findings] The research shows that the compressive performance of sandwich structures decreases with the increase of hole edge length; The compression performance of sandwich structure increases with the increase of hole wall thickness; The thickness of the panel has no effect on the compression performance and deformation process of the sandwich structure. [Conclusions] The out-of-plane compression performance of sandwich structures is related to the hole edge length and hole wall thickness， but not to the panel thickness.

Keywords： honeycomb aluminum light weight sandwich structure; out-of-plane compression performance; finite element simulation

0 引言

蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)是一種三明治結(jié)構(gòu)，其外層為鋁板、中間為鋁蜂窩芯，三者由黏合劑黏結(jié)在一起。鋁蜂窩芯的特性決定該結(jié)構(gòu)的重量非常輕，但又具有很高強(qiáng)度和剛性，能承受高載荷和抗震能力。此外，蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)具有良好的隔熱性和耐腐蝕性，可在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用。蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)在航空、汽車(chē)、鐵路等領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，可用于制造飛機(jī)、高速列車(chē)、汽車(chē)車(chē)身等［1-5］。

蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異性能，成為研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員一直對(duì)蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并取得了許多成果。Burlayenko等［6］使用ABAQUS對(duì)空心蜂窩芯板和泡沫填充芯板進(jìn)行分析，比較兩者間的芯板承載能力及固有頻率。Wang等［7］通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和面板剝離試驗(yàn)來(lái)研究蜂窩夾芯板芯層厚度及密度對(duì)整體材料性能的影響。喬及森等［8］通過(guò)試驗(yàn)與有限元相結(jié)合的方法，對(duì)梯度鋁蜂窩夾芯板的壓縮性能進(jìn)行研究。趙錢(qián)［9］通過(guò)試驗(yàn)結(jié)合有限元仿真的方式，研究有缺陷蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性，得出不同工況下的疲勞壽命數(shù)據(jù)。

從研究現(xiàn)狀來(lái)看，蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)在各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用研究較為深入，但在蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓縮性能影響方面的研究并不多。因此，本研究給出一種以蜂窩鋁為芯子的輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)，對(duì)其面外壓縮性能進(jìn)行有限元模擬分析。通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸，研究孔棱邊長(zhǎng)、孔壁厚度、芯板高度和面板厚度對(duì)結(jié)構(gòu)面外壓縮性能的影響規(guī)律。

1 有限元模型

使用ABAQUS軟件建立一種以蜂窩鋁為芯子、鋁合金為面板的輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)的有限元模型，設(shè)置載荷與邊界條件，如圖1所示。根據(jù)主要研究?jī)?nèi)容，對(duì)蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)中芯板高度、孔棱邊長(zhǎng)、芯板壁厚、面板厚度4個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行逐一改變，共建立9個(gè)模型，設(shè)置4組對(duì)比分析，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。9個(gè)模型中芯板長(zhǎng)寬尺寸均為30 mm、面板長(zhǎng)寬尺寸均為40 mm，所有模型均使用相同的接觸設(shè)置、邊界條件及其他參數(shù)設(shè)置。模型的具體尺寸見(jiàn)表1。

2 有限元模擬結(jié)果分析

對(duì)Y1壓縮有限元模擬分析模型進(jìn)行求解，所得載荷—位移曲線如圖2所示。由圖2可以看出，載荷—位移曲線整體上可分為三個(gè)部分，即線彈性形變階段、塑性變形階段及壓緊密實(shí)階段。將圖中曲線對(duì)應(yīng)到實(shí)際變形中可知，在加載開(kāi)始后的一段時(shí)間內(nèi)，載荷隨位移增加而上升，表明各個(gè)模型都處于線彈性形變階段。當(dāng)曲線經(jīng)過(guò)第一個(gè)峰時(shí)，載荷隨位移增加而下降，表明從此時(shí)開(kāi)始模型處于塑性變形階段，可將這個(gè)峰對(duì)應(yīng)的載荷稱(chēng)為屈服載荷（初始坍塌載荷）。此后載荷隨位移增加一直緩慢下降，在曲線中表現(xiàn)為一段類(lèi)似平臺(tái)一樣的曲線，表示模型在進(jìn)行持續(xù)的塑性變形。到達(dá)某一程度后，模型載荷又開(kāi)始隨位移增加而增加，且趨勢(shì)越來(lái)越陡，表明模型的塑性變形已經(jīng)結(jié)束，芯板逐漸被壓緊，整個(gè)模型進(jìn)入密實(shí)階段。

2.1 孔棱邊長(zhǎng)對(duì)壓縮力學(xué)性能的影響

為更好地研究孔棱邊長(zhǎng)對(duì)蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)壓縮力學(xué)性能的影響，將Y1、Y2、Y3三個(gè)模型設(shè)為一個(gè)對(duì)照組，對(duì)照組孔棱邊長(zhǎng)參數(shù)信息見(jiàn)表2。

3個(gè)模型的載荷—位移曲線對(duì)比如圖3所示。

從圖3可以看出：3個(gè)載荷—位移曲線趨勢(shì)相同，表明3個(gè)模型各項(xiàng)參數(shù)正常，無(wú)明顯錯(cuò)誤；隨著孔棱邊長(zhǎng)增加，其屈服載荷明顯變小，表明孔棱邊長(zhǎng)對(duì)蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)面外壓縮性能產(chǎn)生影響。通過(guò)查閱數(shù)據(jù)，得到3個(gè)模型的屈服載荷數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可知，相較于Y1模型，Y2、Y3模型屈服載荷分別減少17.804 7 kN、42.029 7 kN，分別下降18.1%和42.8%；3個(gè)模型的塑性變形階段的平臺(tái)區(qū)域均在2～9 mm，表明孔棱長(zhǎng)度對(duì)變形破壞過(guò)程造成的影響較小。

綜上所述，得到蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)性能隨孔棱長(zhǎng)度變化的相關(guān)性質(zhì)，即孔棱邊長(zhǎng)越長(zhǎng)，夾芯板的承載性能越差。

2.2 孔壁厚度對(duì)壓縮力學(xué)性能的影響

為更好地研究孔壁厚度對(duì)整體壓縮性能的影響，將Y1、Y4、Y5這3個(gè)模型設(shè)為一個(gè)對(duì)照組，3個(gè)模型的孔壁厚度參數(shù)見(jiàn)表4。

3個(gè)模型的載荷—位移曲線對(duì)比如圖4所示。

通過(guò)觀察圖4可知：3條載荷—位移曲線趨勢(shì)相近，表明3個(gè)模型各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置正常，無(wú)明顯錯(cuò)誤；隨著孔壁厚增加，其屈服載荷越來(lái)越大，表明隨著芯板孔壁厚增加，承載能力得到提升。通過(guò)查閱數(shù)據(jù)，得到3個(gè)模型屈服載荷數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，由表可知，相較于Y1模型，Y4模型的屈服載荷減少43.489 kN、下降44.3%，Y5模型的屈服載荷提高46.722 7 kN、提升47.6%；3條載荷曲線的屈服階段平臺(tái)區(qū)域相近，均為2～9 mm，這說(shuō)明芯板孔壁厚對(duì)模型變形過(guò)程基本無(wú)影響。

綜上所述，得到輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)隨孔壁厚度變化性質(zhì)，即隨著孔壁厚度的增加，模型的承載能力也隨之增加，孔壁厚度的改變對(duì)模型的變形過(guò)程基本沒(méi)有影響。

2.3 芯板高度對(duì)壓縮力學(xué)性能的影響

將Y1、Y6、Y7這3個(gè)模型設(shè)為一個(gè)對(duì)照組，其模型芯板高度參數(shù)見(jiàn)表6。

不同芯板高度下的載荷—位移曲線如圖5所示。

由圖5可知，3個(gè)載荷—位移曲線趨勢(shì)相近，表明各模型參數(shù)設(shè)置無(wú)異常，無(wú)明顯錯(cuò)誤；3個(gè)模型結(jié)構(gòu)屈服前所能承受的最大載荷相近，均在100 kN左右，表明芯板高度對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力基本無(wú)影響；盡管3個(gè)模型在結(jié)構(gòu)屈服前所能承受的最大載荷相近，但達(dá)到最大載荷所需的位移不同，表明芯板高度會(huì)對(duì)變形過(guò)程產(chǎn)生影響。若不同芯板高度的夾芯結(jié)構(gòu)在同樣的加載速度下，芯板高度越大，達(dá)到相同變形程度所需時(shí)間越長(zhǎng)。

2.4 面板厚度對(duì)壓縮力學(xué)性能的影響

將Y1、Y8、Y9這3個(gè)模型設(shè)為一個(gè)對(duì)照組，其面板厚度參數(shù)見(jiàn)表7。

不同面板厚度下的載荷—位移曲線如圖6所示。由圖6可知，3條曲線幾乎重合在一起，表明面板厚度對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)的壓縮力學(xué)性能及承載變形過(guò)程基本沒(méi)有影響。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)有限元模擬法研究各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)面外壓縮力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：芯板的孔棱邊長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)面外壓縮力學(xué)性能有影響，對(duì)結(jié)構(gòu)變形過(guò)程無(wú)影響。相較于Y1模型，Y2、Y3模型屈服載荷分別減少17.804 7 kN、42.029 7 kN，下降18.1%、42.8%，表明孔棱邊長(zhǎng)越長(zhǎng)，其抗壓能力越差；芯板孔壁厚度對(duì)結(jié)構(gòu)面外壓縮力學(xué)性能有影響，對(duì)變形過(guò)程基本無(wú)影響。相較于Y1模型，Y4模型的屈服載荷減少43.489 kN、下降44.3%，Y5模型的屈服載荷提高46.722 7 kN、提升47.6%。這表明孔壁厚度越厚，其抗壓能力越好。芯板高度對(duì)結(jié)構(gòu)面外壓縮力學(xué)性能基本無(wú)影響，對(duì)變形過(guò)程有影響；面板厚度對(duì)結(jié)構(gòu)壓縮力學(xué)性能及變形過(guò)程基本無(wú)影響。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊益，李曉軍，郭彥朋.夾芯材料發(fā)展及防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用綜述［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2010（4）：91-96.

［2］閆長(zhǎng)浩.蜂窩夾芯塑料板材發(fā)展現(xiàn)狀與室內(nèi)空間裝飾工程應(yīng)用［J］.塑料工業(yè)，2017（9）：148-151.

［3］馮仁杰，于九明.蜂窩夾芯復(fù)合板及其在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用［J］.汽車(chē)工藝與材料，2003（8）：30-32.

［4］張廣平，戴干策.復(fù)合材料蜂窩夾芯板及其應(yīng)用［J］.纖維復(fù)合材料，2000（2）：25-27，6.

［5］季鐵正，藍(lán)立文，王寶山.蜂窩夾芯板的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用［J］.新型建筑材料，1995（2）：31-33.

［6］BURLAYENKOV N，SADOWSKI T.Analysis of structural performance of sandwich plates with foam-filled aluminum hexagonal honeycomb core［J］.Computational Materials Science，2008（3）：658-662.

［7］WANG J F，SHI C Y，YANG N，et al.Strength， stiffness， and panel peeling strength of carbon fiber-reinforced composite sandwich structures with aluminum honeycomb cores for vehicle body［J］.Composite Structures，2018，184：1189-1196.

［8］喬及森，孔海勇，苗紅麗，等.梯度鋁蜂窩夾芯板的力學(xué)行為［J］.材料工程，2021（3）：167-174.

［9］趙錢(qián).多功能鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)疲勞特性仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2018.