蜂窝夹层结构等效模型研究进展
发布时间：2021-08-18 18:54
蜂窝夹层结构复合材料质量较轻且具有较高的比强度和比刚度值,近些年来在许多领域中得到了广泛的使用。本文从蜂窝芯的等效参数以及蜂窝等效模型等方面对国内外的研究成果进行归纳和总结,分别从理论公式推导、均匀化法及有限元法等方面对蜂窝芯层等效参数的研究进行分类论述,并基于三明治夹芯板理论、蜂窝板理论以及等效板理论和其他等效方法对等效模型进行对比研究,最后对蜂窝夹层结构等效模型的研究方向提出一些建议。
【文章来源】：复合材料科学与工程. 2020,(10)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图1 两种蜂窝夹层分析方法的比较
蜂窝夹层结构在实际的加工过程中,难免会存在蜂窝芯形状的不均匀性,对于这种无法避免的情况,如何得到非均匀蜂窝芯的等效参数是一个非常重要的问题。Chen等[25,26]用理论方法和有限元方法研究了非对称六边形蜂窝结构的等效弹性模量,根据单元间的相对变形,确定了平行于蜂窝胞壁方向的等效弹性模量,并依此推导出其余的弹性模量,介绍了用坐标变换计算其他弹性模量的方法。Mukhopadhyay等[27]提出了一种计算蜂窝角度随机变化的不规则蜂窝的等效弹性常数的新方法,并与有限元模拟结果进行了比较。结果表明,该方法可以更有效地获得不规则蜂窝的等效弹性特性,所建立的公式也可用于预测材料性能和胞壁厚度具有空间变化的不规则蜂窝的等效面内弹性模量。Wang等[28]对具有复合细胞壁的蜂窝结构(如图2所示)进行了研究,推导了一般情况下n层复合细胞壁的弹性常数求解方法并进行有限元分析和验证,还研究了胞壁厚度和弹性模量对结构整体力学响应的影响。部分研究者也对胞元为圆形的蜂窝夹层结构进行了研究。梁森等[29]建立了胞元为圆形的蜂窝芯层面内等效参数的分析模型,推导出蜂窝夹芯面内等效刚度和泊松比随蜂窝芯几何参数变化的关系,并给出了等效参数的计算公式。Cernescu等[30]建立了圆柱蜂窝芯的等效刚度特性的解析方程,基于能量法推导了蜂窝芯的平面内外压缩和剪切载荷的刚度特性和有效弹性模量,将所获得的力学性能用于评估三点弯曲夹层梁的应力和应变状态,结果表明,所建立的解析方程能较好地预测刚度系数和有效弹性模量。
在等效板理论、蜂窝板理论和三明治夹芯板理论这些等效方法的基础上,越来越多的学者对其他等效方法进行了研究。Wu等[42]将蜂窝夹层板建模为具有适当约束的分层结构,这些约束保证了应力从面板到夹芯的平稳传递。应用所建立的有限元模型对客车车身用FRP夹芯板的破坏行为进行了数值模拟。仿真结果表明,提出的层状模型不仅能够预测FRP夹层结构的整体力学行为,而且能够分析局部失效问题,如失效起始点的位置、失效模式等,该模型对分析FRP夹层结构的破坏问题具有较高的计算效率。Tanimoto等[43]在假定正交各向异性壳和两种梁单元分别代表面板、胶层和蜂窝芯的前提下,提出了一种新的蜂窝夹芯板固有振动分析的数值模型,如图3所示,并研究了蜂窝芯的几何形状和蒙皮厚度对特征频率的影响。结果表明,提出的等效数值模型相较于试验结果,在一阶扭转模态与弯曲模态的频率误差分别在6%和13%以内,随着面板与蜂窝芯厚度的增加,特征频率也随之增加,且数值模型的误差也相对增大。Soliman等[44]运用经典层压板理论(CLPT)、一阶剪切变形理论(FSDT)和高阶剪切变形理论(HSDT)对蜂窝夹层结构进行有限元分析,建立了蜂窝板的详细有限元模型,等效理论的结构与之相比,具有较好的一致性。CLPT、FSDT和HSDT三种理论的位移计算结果与详细模型相比较,误差分别为15.5%、15%和7.6%。Li等[45]用经典板理论和三阶剪切变形理论对带SCSC边缘支撑的对称矩形蜂窝板的自由弯曲振动进行了比较研究,结果表明,对于蜂窝板的振动分析,经典板理论并不适用,误差较大,有必要采用高阶板理论。Liu等[46]利用材料力学方法确定了蜂窝芯有效力学性能,并构造等效层合板来模拟蜂窝结构,利用有限元法对等效层合板和蜂窝板详细模型的热特性和自由振动特性进行了比较。结果表明,等效模型与详细模型在热传递和模态分析方面具有较好的一致性。姜东等[47]提出了一种考虑胶层的蜂窝夹层的等效模拟方法.并推导了其等效参数,将该方法与其他两种等效方法进行了对比。结果表明,所提出的等效方法在考虑胶层的影响后,计算结果更为准确,在频率计算方面其最大误差不超过5%,且前四阶频率的平均误差也由夹芯板理论的10.06%和等效板理论的6.00%降为2.03%。Xu等[48]提出了一种新的多层等效有限元模型,对嵌入式蜂窝板的力学性能进行分析。该等效方法和现有的等效板理论相比,在频率结果方面,最大误差由14.21%减小到6.5%,在位移结果方面,最大误差由6.25%减小到3.1%,在应力结果方面,最大误差由9.41%减小到5.3%,表明该多层等效模型具有较高的计算精度。基于该等效模型,进一步建立了胞元尺寸和嵌入深度与频率的函数关系,直观地反映了参数对固有频率的影响。徐洋等[49]提出了一种蜂窝结构的铺层等效有限元建模方法并推导出其等效参数,将结果与其他等效方法进行对比研究,结果表明,该方法在保证计算准确性的前提下,较大程度地提高了计算效率。Shi等[50]提出了一种等效刚度模型来解析估计蜂窝-网格混合夹芯板复合材料夹层结构(如图4所示)的刚度矩阵,通过三点弯曲试验验证了等效刚度模型的准确性以及可靠性,等效刚度模型预测的抗弯与抗拉刚度值与试验所得到的平均值误差分别为0.5%和19%。在此基础上,研究了面板厚度、芯层高度、网格间距、肋宽和材料性能对混合芯层夹层结构刚度的影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]蜂窝夹层板强度分析模型对比研究[J]. 苏玲,刘赛,尹进,肖凯. 宇航总体技术. 2019(05)
[2]基于Hyperworks的六边形蜂窝板铺层等效建模方法研究[J]. 徐洋,王皓辉,盛晓伟. 振动与冲击. 2018(23)
[3]复杂多边形蜂窝面内等效弹性参数研究[J]. 郭瑜超,王立凯,吴存利,段世慧. 机械强度. 2016(06)
[4]密排圆形胞元蜂窝面内等效弹性参数的模拟仿真[J]. 梁森,雒磊. 四川兵工学报. 2013(12)
[5]考虑胶层的蜂窝夹层复合材料动态特性[J]. 姜东,江智远,费庆国,韩晓林. 东南大学学报(自然科学版). 2013(05)
[6]蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展[J]. 刘杰,郝巍,孟江燕. 宇航材料工艺. 2013(03)
[7]六边形蜂窝等效面外剪切模量预测及其尺寸效应[J]. 张卫红,段文东,许英杰,朱继宏. 力学学报. 2013(02)
[8]蜂窝夹层板力学等效方法对比研究[J]. 李贤冰,温激鸿,郁殿龙,温熙森. 玻璃钢/复合材料. 2012(S1)
[9]蜂窝夹层板结构等效模型比较分析[J]. 张铁亮,丁运亮,金海波. 应用力学学报. 2011(03)
[10]正六角形蜂窝芯层面内等效弹性参数研究[J]. 陈梦成,陈玳珩. 华东交通大学学报. 2010(05)
硕士论文
[1]铝蜂窝夹层板的力学性能等效模型研究[D]. 赵金森.南京航空航天大学 2006
本文编号：3350441
【文章来源】：复合材料科学与工程. 2020,(10)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图1 两种蜂窝夹层分析方法的比较
蜂窝夹层结构在实际的加工过程中,难免会存在蜂窝芯形状的不均匀性,对于这种无法避免的情况,如何得到非均匀蜂窝芯的等效参数是一个非常重要的问题。Chen等[25,26]用理论方法和有限元方法研究了非对称六边形蜂窝结构的等效弹性模量,根据单元间的相对变形,确定了平行于蜂窝胞壁方向的等效弹性模量,并依此推导出其余的弹性模量,介绍了用坐标变换计算其他弹性模量的方法。Mukhopadhyay等[27]提出了一种计算蜂窝角度随机变化的不规则蜂窝的等效弹性常数的新方法,并与有限元模拟结果进行了比较。结果表明,该方法可以更有效地获得不规则蜂窝的等效弹性特性,所建立的公式也可用于预测材料性能和胞壁厚度具有空间变化的不规则蜂窝的等效面内弹性模量。Wang等[28]对具有复合细胞壁的蜂窝结构(如图2所示)进行了研究,推导了一般情况下n层复合细胞壁的弹性常数求解方法并进行有限元分析和验证,还研究了胞壁厚度和弹性模量对结构整体力学响应的影响。部分研究者也对胞元为圆形的蜂窝夹层结构进行了研究。梁森等[29]建立了胞元为圆形的蜂窝芯层面内等效参数的分析模型,推导出蜂窝夹芯面内等效刚度和泊松比随蜂窝芯几何参数变化的关系,并给出了等效参数的计算公式。Cernescu等[30]建立了圆柱蜂窝芯的等效刚度特性的解析方程,基于能量法推导了蜂窝芯的平面内外压缩和剪切载荷的刚度特性和有效弹性模量,将所获得的力学性能用于评估三点弯曲夹层梁的应力和应变状态,结果表明,所建立的解析方程能较好地预测刚度系数和有效弹性模量。
在等效板理论、蜂窝板理论和三明治夹芯板理论这些等效方法的基础上,越来越多的学者对其他等效方法进行了研究。Wu等[42]将蜂窝夹层板建模为具有适当约束的分层结构,这些约束保证了应力从面板到夹芯的平稳传递。应用所建立的有限元模型对客车车身用FRP夹芯板的破坏行为进行了数值模拟。仿真结果表明,提出的层状模型不仅能够预测FRP夹层结构的整体力学行为,而且能够分析局部失效问题,如失效起始点的位置、失效模式等,该模型对分析FRP夹层结构的破坏问题具有较高的计算效率。Tanimoto等[43]在假定正交各向异性壳和两种梁单元分别代表面板、胶层和蜂窝芯的前提下,提出了一种新的蜂窝夹芯板固有振动分析的数值模型,如图3所示,并研究了蜂窝芯的几何形状和蒙皮厚度对特征频率的影响。结果表明,提出的等效数值模型相较于试验结果,在一阶扭转模态与弯曲模态的频率误差分别在6%和13%以内,随着面板与蜂窝芯厚度的增加,特征频率也随之增加,且数值模型的误差也相对增大。Soliman等[44]运用经典层压板理论(CLPT)、一阶剪切变形理论(FSDT)和高阶剪切变形理论(HSDT)对蜂窝夹层结构进行有限元分析,建立了蜂窝板的详细有限元模型,等效理论的结构与之相比,具有较好的一致性。CLPT、FSDT和HSDT三种理论的位移计算结果与详细模型相比较,误差分别为15.5%、15%和7.6%。Li等[45]用经典板理论和三阶剪切变形理论对带SCSC边缘支撑的对称矩形蜂窝板的自由弯曲振动进行了比较研究,结果表明,对于蜂窝板的振动分析,经典板理论并不适用,误差较大,有必要采用高阶板理论。Liu等[46]利用材料力学方法确定了蜂窝芯有效力学性能,并构造等效层合板来模拟蜂窝结构,利用有限元法对等效层合板和蜂窝板详细模型的热特性和自由振动特性进行了比较。结果表明,等效模型与详细模型在热传递和模态分析方面具有较好的一致性。姜东等[47]提出了一种考虑胶层的蜂窝夹层的等效模拟方法.并推导了其等效参数,将该方法与其他两种等效方法进行了对比。结果表明,所提出的等效方法在考虑胶层的影响后,计算结果更为准确,在频率计算方面其最大误差不超过5%,且前四阶频率的平均误差也由夹芯板理论的10.06%和等效板理论的6.00%降为2.03%。Xu等[48]提出了一种新的多层等效有限元模型,对嵌入式蜂窝板的力学性能进行分析。该等效方法和现有的等效板理论相比,在频率结果方面,最大误差由14.21%减小到6.5%,在位移结果方面,最大误差由6.25%减小到3.1%,在应力结果方面,最大误差由9.41%减小到5.3%,表明该多层等效模型具有较高的计算精度。基于该等效模型,进一步建立了胞元尺寸和嵌入深度与频率的函数关系,直观地反映了参数对固有频率的影响。徐洋等[49]提出了一种蜂窝结构的铺层等效有限元建模方法并推导出其等效参数,将结果与其他等效方法进行对比研究,结果表明,该方法在保证计算准确性的前提下,较大程度地提高了计算效率。Shi等[50]提出了一种等效刚度模型来解析估计蜂窝-网格混合夹芯板复合材料夹层结构(如图4所示)的刚度矩阵,通过三点弯曲试验验证了等效刚度模型的准确性以及可靠性,等效刚度模型预测的抗弯与抗拉刚度值与试验所得到的平均值误差分别为0.5%和19%。在此基础上,研究了面板厚度、芯层高度、网格间距、肋宽和材料性能对混合芯层夹层结构刚度的影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]蜂窝夹层板强度分析模型对比研究[J]. 苏玲,刘赛,尹进,肖凯. 宇航总体技术. 2019(05)
[2]基于Hyperworks的六边形蜂窝板铺层等效建模方法研究[J]. 徐洋,王皓辉,盛晓伟. 振动与冲击. 2018(23)
[3]复杂多边形蜂窝面内等效弹性参数研究[J]. 郭瑜超,王立凯,吴存利,段世慧. 机械强度. 2016(06)
[4]密排圆形胞元蜂窝面内等效弹性参数的模拟仿真[J]. 梁森,雒磊. 四川兵工学报. 2013(12)
[5]考虑胶层的蜂窝夹层复合材料动态特性[J]. 姜东,江智远,费庆国,韩晓林. 东南大学学报(自然科学版). 2013(05)
[6]蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展[J]. 刘杰,郝巍,孟江燕. 宇航材料工艺. 2013(03)
[7]六边形蜂窝等效面外剪切模量预测及其尺寸效应[J]. 张卫红,段文东,许英杰,朱继宏. 力学学报. 2013(02)
[8]蜂窝夹层板力学等效方法对比研究[J]. 李贤冰,温激鸿,郁殿龙,温熙森. 玻璃钢/复合材料. 2012(S1)
[9]蜂窝夹层板结构等效模型比较分析[J]. 张铁亮,丁运亮,金海波. 应用力学学报. 2011(03)
[10]正六角形蜂窝芯层面内等效弹性参数研究[J]. 陈梦成,陈玳珩. 华东交通大学学报. 2010(05)
硕士论文
[1]铝蜂窝夹层板的力学性能等效模型研究[D]. 赵金森.南京航空航天大学 2006
本文编号：3350441
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