芯子缺失对蜂窝板侧压力学性能的影响研究

夏明凯

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

蜂窝夹层结构被越来越多的使用在要求轻质的运输系统上，如卫星、航天器、高速铁路、快速汽艇等。通过使用轻且具有弹性的芯子来分离重且刚度大的面板而产生的一种理想结构来承担使用过程中的弯曲载荷［1］。对于蜂窝夹层结构的面板可能使用的材料有铝合金，高延展性的钢，钛或者复合材料，这取决于所使用的环境和要求。同样，芯子的形状和材料的选择也是多样化的。其中，由薄片组成的垂直于面板的正六角形蜂窝芯子是最常用的一种结构形式［2］。

国内外很多学者对蜂窝板的侧压力学性能做过研究，周祝林［3］对碳纤维复合材料夹层结构的侧压强度进行了理论计算。彭明军［4］对铝蜂窝板沿平行双倍壁板方向和垂直于双倍壁板方向的侧压强度和破坏模式进行了研究。Paik［2］利用实验的方法对蜂窝芯子壁厚度和蜂窝芯子高度对铝蜂窝板的侧压强度的影响做出了研究。刘智良，程小全［5］通过实验对含不同形状分层缺陷的蜂窝夹层板的侧压性能做了研究。本文运用数值模拟的方法对蜂窝芯子脱焊缺陷对金属蜂窝夹层板侧压强度和破坏模式的影响进行了研究。

1 模型准备

1.1 金属蜂窝板结构和方向定义

本文所使用蜂窝夹层结构的尺寸为hc=4mm，hf=0.25mm，t=0.076mm，l=4mm。材料为高温合金haynes214。蜂窝板结构如图1 所示。

图1 金属蜂窝板结构图

1.2 建立模型

蜂窝板的共面力学性能测试的国家标准GB/T1456－2005要求试件的长度和宽度范围内至少包含4个以上完整的单胞。本文中所用的正六边形蜂窝板的单胞边长和高度均为4mm，所以试件的长度和宽度需要大于40mm，有限元模型长度为84mm，宽度为50mm，厚度为4.6mm。

2 芯子双层壁板缺失的y 方向力学性能究

2.1 计算结果

芯子缺失的位置为所建立模型的与y 向垂直的中间截面上，芯子缺失的方式为对称性缺失，本文建立了五种不同缺失比例的蜂窝板模型，缺失比例分别为0%，25%，50%，75%，100%，计算结果如图2 所示。不同缺失比例下的侧压强度值如表1 所示。由图2 知不同芯子缺失比例蜂窝板的弹性阶段基本重合，说明芯子缺失不会改变蜂窝板的弹性模量。但是随着芯子缺失比例的增大，塑性变形增强特性逐渐变差。达到侧压强度后迅速进入局部失稳阶段，蜂窝板发生失效。由表2 知，当芯子缺失的比例超过50%的时侧压强度明显衰减。

图2 含芯子缺失缺陷蜂窝板的侧压应力应变曲线

表1 不同芯子缺失比例下的蜂窝板的侧压强度

2.2 破坏机理分析

由图2 知金属蜂窝板的失效过程共经历了三个阶段，弹性变形阶段，塑性变形增强阶段以及局部失稳阶段。弹性变形阶段，蜂窝芯子的双层壁板发生弹性屈曲，在弹性阶段的末期，与双层壁板相焊合的面板区域和蜂窝孔内的面板区域出现轻微的轴向外凸，随着弹性形变的逐步增大，这些区域凸凹交错，没有规律。塑性变形增强阶段，随着塑性变形的增大，这些区域仍然是内凹相间，而蜂窝芯子的双层壁板发生塑性屈曲。局部失稳阶段，随着塑性应变的进一步增大，蜂窝芯子某一横截面上的双层壁板被拉服或者被压服，面板凸起和凹陷相间，接着双层壁板在载荷方向上被压服，于是应力应变曲线出现波动，材料发生破坏，破坏外观形貌如图3所示。

图3 y 向侧压破坏模式图

3 结论

在y 方向的压缩载荷作用下，芯子缺失不会改变金属蜂窝板的压缩弹性模量，蜂窝板某一横截面上芯子缺失比例超过50%的时候，侧压强度明显衰减。在压缩载荷作用下的蜂窝芯子双层壁板受到面板的拉伸或者压缩，直至载荷增大到被拉伸屈服和压缩屈服，蜂窝板发生失效，外观形貌为面板凸起和内凹相间，芯子被压溃。

［1］F.Mujika，J.Pujana，M.Olave.On the determination of out－ of－ plane elastic properties of honeycomb sandwich panels［J］.Polymer Testing.2011，30(2):222－228.

［2］Paik J K，Thayamballi A K，Kim G S.The strength characteristics of aluminum honeycomb sandwich panels［J］.Thin－Walled Structures.1999，35:205－231.

［3］Zhou Zhulin.Calculation of edge compression strength of CFRP sandwich construction with honeycomb of CFRP［J］.Fiber Compos，2001，18(2):29－30.

［4］彭明军，孙勇，段永华等.钎焊蜂窝铝板侧压变形模式分析研究［J］.材料导报:研究篇，2010，24(3):75－77.

［5］刘智良，程小全，胡仁伟等.含不同分层缺陷蜂窝夹层板的压缩性能［J］.复合材料学报，2009，26(5):153－158.