現(xiàn)代設(shè)計(jì)大作業(yè)

1、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法問(wèn)題：鋁蜂窩板的結(jié)構(gòu)主要是由上下兩塊薄鋁板和中間的鋁蜂窩芯材通過(guò)釬焊焊接而成，其中鋁蜂窩板的上下面板使用的材料為6A02鋁合金，鋁蜂窩板的芯材使用的是3003鋁合金，現(xiàn)對(duì)鋁蜂窩板進(jìn)行有限元模擬，得到在平壓、橫向側(cè) 壓、縱向側(cè)壓時(shí)的應(yīng)力分布，計(jì)算各自的等效彈性模量。定義橫向?yàn)殇X蜂窩芯材單倍壁厚的方向,縱向?yàn)殇X蜂窩芯材雙倍壁厚的方向, 垂向?yàn)榇怪泵姘宓姆较?，如圖 1所示。鋁蜂窩板的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 和2所示。i縱向/堇向圖1鋁蜂窩板方向定義表1鋁蜂窩板的材料參數(shù)密度(Kg/m3)彈性模量(GPa)泊松比屈服強(qiáng)度(MPa)(MPa)6A02鋁合金2700700.33150195

2、3003鋁合金2700700.3375145表2鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)參數(shù)試樣長(zhǎng)寬局(mm*mm*mm )蜂窩芯圖度(mm)面板厚度(mm)胞元邊長(zhǎng)(mm)蜂窩芯壁厚(mm)60 60 20171.560.2等效彈性常數(shù)計(jì)算公式根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能實(shí)驗(yàn)方法， 取破壞載荷的10%到50% 之間的直線(xiàn)段數(shù)據(jù)按下面公式進(jìn)行計(jì)算得到蜂窩芯子的彈性模量， 從而得到蜂窩 夾層結(jié)構(gòu)的平壓彈性模量。A尸（h-2%） E -式中：tf一面板厚度（mm）；P載荷-變形曲線(xiàn)上直線(xiàn)段的載荷增量值（N）;Al 對(duì)應(yīng)于PP的變形增量值（mm）;F 一鋁蜂窩板橫截面的面積（mm2）;h鋁蜂窩板厚度（mm）;根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

3、夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓性能實(shí)驗(yàn)方法， 取破壞載荷的10%J 50%之間的 直線(xiàn)段數(shù)據(jù)按下式進(jìn)行計(jì)算得到蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的側(cè)壓彈性模量。htj -式中：a一側(cè)壓加載方向面板邊長(zhǎng)（mm）；b與側(cè)壓加載方向垂直方向面板邊長(zhǎng)（mm）；.建立模型與劃分網(wǎng)格使用殼單元對(duì)鋁蜂窩板的面板和蜂窩芯進(jìn)行建模。模型建立的關(guān)鍵是建立蜂窩芯模型，由于蜂窩芯由胞元呈周期性排列而成，所以先建立一個(gè)蜂窩芯胞元， 通過(guò)多次鏡像和復(fù)制得到蜂窩芯模型。為了使用映射網(wǎng)格劃分模型網(wǎng)格，對(duì)上下 面板進(jìn)行了切分，通過(guò)蜂窩芯的壁板面將上下面板劃分成多個(gè)與蜂窩芯相匹配的 面，然后合并關(guān)鍵點(diǎn)，將模型的線(xiàn)和面粘接起來(lái)，從而得到鋁蜂窩板模型，如圖 2所示。鋁蜂窩

4、芯和面板均采用雙線(xiàn)性本構(gòu)模型劃分網(wǎng)格，蜂窩芯和面板均采用 殼單元181號(hào)單元進(jìn)行離散。整個(gè)鋁蜂窩板模型使用映射網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格尺 寸大小為1mm,劃分網(wǎng)格后的模型包括28031個(gè)節(jié)點(diǎn)和28975個(gè)單元，如圖3 所示。J圖2鋁蜂窩板模型圖3J圖2鋁蜂窩板模型圖3鋁蜂窩板模型網(wǎng)格.有限元模型的邊界條件及載荷的施加(1)、平壓對(duì)鋁蜂窩板底部面板的所有節(jié)點(diǎn)施加固定約束，使得底部的面不發(fā)生任何位 移。將鋁蜂窩夾層板的頂部面板的所有節(jié)點(diǎn)耦合Z方向的位移，使得在主節(jié)點(diǎn)上施加沿Z方向的位移載荷，頂部面上其余的從節(jié)點(diǎn)都具有相同的沿 Z方向的位移 載荷。在進(jìn)行求解時(shí)，分為8個(gè)載荷步，每個(gè)載荷步分為300子步，每

5、個(gè)載荷步 對(duì)應(yīng)的沿Z方向的位移載荷分別為-0.05mm、-0.1mm、-0.5mm、-1mm、-1.5mm和-2mm。鋁蜂窩板的邊界條件及載荷施加如圖 4所示。HiiiiiiiinniiinniiiniqHiiiiiiiinniiinniiiniqlllll|lllUll!VlllllllliiiniiiHiiiviii mu nimiHiiiHiiniii mini hi-HH iiii minviiisiui liii min iiii minviiisiui liii min mi riii 11111|1119111111111111111|1111 mi nil piiiv tin

6、1111111111111 in ibbiwiivib圖4平壓邊界條件及載荷施加(2)、橫向側(cè)壓對(duì)鋁蜂窩沿X方向最右端的平面施加固定約束，使得沿X方向最右端平面上 的所有鋁蜂窩板單元節(jié)點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生任何位移。 對(duì)鋁蜂窩夾層板沿X方向最左端平 面上所有節(jié)點(diǎn)施加X(jué)方向的耦合約束，使得在主節(jié)點(diǎn)上施加沿X方向的位移載荷, 其余各節(jié)點(diǎn)沿X方向具有相同的位移，在進(jìn)行計(jì)算求解時(shí)，分為8個(gè)載荷步，每 個(gè)載荷步分為300子步，每個(gè)載荷步對(duì)應(yīng)的沿X方向的位移載荷分別為0.05mm、 0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm 和 3mm。鋁蜂窩板的邊界條件 及載荷的施加如圖5所示。(3)、縱向側(cè)壓

7、對(duì)鋁蜂窩夾層板縱向最頂部的平面上施加固定約束，使得沿Y方向最頂部的平面上的所有鋁蜂窩板單元節(jié)點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生任何位移。對(duì)鋁蜂窩夾層板橫向最底部的平面上所有節(jié)點(diǎn)施加一個(gè) Y方向的耦合約束，使得在主節(jié)點(diǎn)上施加沿Y方向的 位移載荷，各從節(jié)點(diǎn)沿Y方向具有相同的位移。在進(jìn)行計(jì)算求解時(shí)，分為8個(gè)載 荷步，每個(gè)載荷步分為300子步，每個(gè)載荷步對(duì)應(yīng)的沿Y方向的位移載荷分別為 0.05mm、0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm 和 3mm。鋁蜂窩板模 型的邊界條件及載荷的施加如圖6所示。圖5圖5橫向側(cè)壓邊界條件及載荷施加圖6縱向側(cè)壓邊界條件及載荷施加3.鋁蜂窩板模擬結(jié)果及分析(1)、平壓在大

8、變形情況下計(jì)算得到鋁蜂窩板模型的計(jì)算結(jié)果，鋁蜂窩板模型的VonMises應(yīng)力云圖，如圖7所示；蜂窩芯的Von Mises應(yīng)力云圖，如圖8所示。由 圖可知上下面板的應(yīng)力值很小，說(shuō)明在平壓時(shí)上下面板起到傳遞載荷的作用。 蜂 窩芯壁板出現(xiàn)了彎曲失穩(wěn)現(xiàn)象，在蜂窩芯壁板的中間位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖7鋁蜂窩板Von Mises圖7鋁蜂窩板Von Mises應(yīng)力圖圖8鋁蜂窩芯 Von Mises應(yīng)力圖將計(jì)算得到的載荷-位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel做出載荷-位移曲線(xiàn)，如圖10所示 由圖10可知，鋁蜂窩板的蜂窩芯在平壓過(guò)程中經(jīng)歷了三個(gè)階段，即彈性變形、 塑性變形和塑性屈曲變形三個(gè)階段。 在彈性變形階段，蜂窩壁板受

9、到軸向的壓縮 載荷出現(xiàn)彈性變形，載荷-位移曲線(xiàn)中表現(xiàn)為一段斜直線(xiàn)段；在塑性變形階段， 隨著位移載荷的增大，鋁蜂窩板發(fā)生塑性變形，在載荷 -位移曲線(xiàn)中表現(xiàn)為一段 斜率小于彈性變形階段斜率的直線(xiàn)段； 在塑性屈曲變形階段，隨著位移載荷的進(jìn) 一步加大，鋁蜂窩壁板受到軸向的壓縮載荷而出現(xiàn)塑性屈曲， 壁板最大撓度逐漸 增加，鋁蜂窩芯壁板開(kāi)始失穩(wěn)，在載荷-位移曲線(xiàn)中表現(xiàn)為隨著位移值增加，載 荷增長(zhǎng)速率越來(lái)越緩慢。由平壓等效模量的計(jì)算公式可求得鋁蜂窩板的平壓等效 彈性模量為3.67GPa600005000010000020000載40000N/ 300005000010000020000載40000N/ 30

10、0000.51.5位移Z (mm)2.5圖9平壓載荷-位移曲線(xiàn)(2)、橫向側(cè)壓在大變形模式下計(jì)算得到鋁蜂窩板模型的模擬結(jié)果，鋁蜂窩板面板和蜂窩 芯的Von Mises應(yīng)力云圖，如圖10、11所示。由圖可知，應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在 蜂窩芯與面板的連接處，施加的位移載荷主要由面板的承受， 面板的應(yīng)力均值大 于蜂窩芯的應(yīng)力均值。將得到的載荷-位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel做出鋁蜂窩板的載荷-位移曲線(xiàn)，如圖12 所示。由圖12可知，鋁蜂窩板在大變形橫向側(cè)壓時(shí)經(jīng)歷了彈性變形和塑性變形 兩個(gè)階段，在彈性變形階段，鋁蜂窩板受到橫向的壓縮載荷而出現(xiàn)彈性變形，在載荷-位移曲線(xiàn)中表現(xiàn)為一段直線(xiàn)段；在塑性變形階段，鋁蜂窩板受橫

11、向壓縮載 荷出現(xiàn)塑性變形，在載荷-位移曲線(xiàn)中表現(xiàn)為一段斜率小于彈性階段的直線(xiàn)段， 由橫向側(cè)壓等效模量計(jì)算公式計(jì)算可得鋁蜂窩板橫向側(cè)壓的等效彈性模量為11.10GPa圖10鋁面板 Von Mises應(yīng)力圖2 .5 fl . 0 514”點(diǎn)皿5du535圖10鋁面板 Von Mises應(yīng)力圖2 .5 fl . 0 514”點(diǎn)皿5du535圖11鋁蜂窩芯 Von Mises應(yīng)力圖350003000025000N 20000F(荷 15000裝100005000 0123位移X (mm)圖12橫向側(cè)壓載荷-位移曲線(xiàn)(3)、縱向側(cè)壓在大變形情況下計(jì)算得到了鋁蜂窩板模型的計(jì)算結(jié)果，面板的Von Mises

12、應(yīng)力云圖，如圖13所示，蜂窩芯的Von Mises應(yīng)力云圖，如圖14所示，由圖可知,鋁蜂窩板在位移加載端發(fā)生了彎曲變形,在面板與蜂窩芯的連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集鋁蜂窩板在位移加載端發(fā)生了彎曲變形,在面板與蜂窩芯的連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。什19日1102.317152.&S4CM1中現(xiàn)象。什19日1102.317152.&S4CM1202 = 7*1410圖13面板 Von Mises應(yīng)力圖1623.227.2734.24.JlvViTZ3645. IS圖14蜂窩芯 Von Mises應(yīng)力圖圖15縱向側(cè)壓載荷-位移曲線(xiàn)圖15縱向側(cè)壓載荷-位移曲線(xiàn)3.5-位移曲線(xiàn),塑性變形和-位移曲線(xiàn),塑性變形和將計(jì)算得到的載荷-位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel并作出鋁蜂窩板的載荷 如圖15所示。由圖15可知，鋁蜂窩板縱向側(cè)壓時(shí)經(jīng)歷了彈性變形、 失