基于ANSYS/LS-DYNA的钎焊蜂窝铝板平压性能研究

方以勒，马弘列，姚柏强，洪东架，张元祥

（衢州学院 机械工程学院，浙江 衢州 324000）

0 引言

钎焊蜂窝铝板是一种夹层结构，其芯子是横截面为正六边形的薄壁六棱柱铝箔，其上下面板均为铝板。钎焊蜂窝铝板是一种典型的轻质高强复合材料结构[1～4]，不仅具有较高的比强度和比刚度，另外它还具有抗震、隔音、隔热等优点，已广泛应用于航空航天行业、船舶运输、高铁轻轨、建筑装修、城市交通以及各种包装材料等方面[5～8]。本文采用ANSYS/LS-DYNA对钎焊蜂窝铝板的平压性能进行了有限元分析，研究了不同位移载荷下蜂窝铝板的变形情况和蜂窝芯的应力分布规律，重点分析了蜂窝芯边长和厚度对钎焊蜂窝铝板破坏载荷的影响。

1 有限元模型

本文采用的钎焊蜂窝铝板的总体尺寸为：（80×80×18）mm，钎焊蜂窝铝板的上下面板厚度均为1mm。蜂窝芯为正六边形，边长为6mm，蜂窝芯高16mm，壁厚为0.1mm。钎焊蜂窝铝板的平压过程具有明显的弹塑性特征[9，10]。ANSYS/LS-DYNA提供了多种塑性材料模型选项，通过比较分析，双线性等向强化（Bilinear Isotropic）和多线性等向强化（Multilinear Isotropic）这两种塑性材料模型都适用于蜂窝板结构。为方便分析，本文选用Bilinear Isotropic模型，其材料属性为：弹性模量 E=70GPa，泊松比 μ=0.33，密度 ρ=2.73×103kg/m3，屈服强度为 110MPa，切线模量为 70MPa[11]。

由于壁厚很小，本文蜂窝芯和面板都采用Shell163壳单元进行模拟分析。蜂窝芯的单元尺寸为1mm，采用映射法进行网格划分，上下面板采用自由划分法进行网格划分。模型网格划分后共有28905个节点，30511个单元，满足有限元分析要求，如图1所示。

参照ASTM C-365 试验标准[12]，本次模拟对钎焊蜂窝铝板的下面板所有节点施加固定约束；对钎焊蜂窝铝板的上面板所有节点在Z方向施加5mm的位移载荷，其中加载速度为0.5mm/min。

图1 网格划分后的模型Fig.1 A model of grid partitioning

2 模拟结果分析

2.1 整体压缩变形过程

通过ANSYS/LS-DYNA的专用后处理器LS-PREPOST观察整个蜂窝芯的变形情况，过程大致可分为3个阶段，如图2所示。

由图2可以明显看出，随着位移载荷的增大，蜂窝芯的变形也逐渐增大。当位移载荷较小的时候，蜂窝芯各点的最大应力均小于屈服应力，蜂窝芯处于弹性阶段。继续增大位移载荷，蜂窝芯进入塑性阶段，见图2（b）。这一阶段壁板交棱处的应力首先达到材料的屈服应力，且在该处芯高的1/2处出现明显的一个半波。由于单层壁板逐渐被压皱，导致蜂窝芯整体结构变化，从而蜂窝芯的承载能力迅速下降。随着形变进一步增大，蜂窝芯最终被压溃而压合化。

图2 蜂窝芯的变形过程Fig.2 The deformation of the honeycomb core

2.2 单个蜂窝芯的模拟结果

为进一步了解蜂窝芯的压缩变形以及应力分布情况，本文单独选取中间一个蜂窝芯进行分析，其结果如图3所示。

图3 单个蜂窝芯不同压缩量时的模拟结果Fig.3 The simulation results of different compression volumes of a single cell core

由图3（a）可以明显看出，当压缩量为5%时，蜂窝芯的最大应力值达到屈服强度110MPa，可见蜂窝芯经历的弹性变形过程很短，且应力集中在蜂窝芯壁板交棱处，应力值大于壁板中心处的应力值。因此，在外力作用下这些位置最容易发生失稳。在这个过程中，蜂窝芯单层壁板中心高度处出现塑性铰，且在壁板面上出现单个半波。随着位移载荷的增大，当压缩量为10%时，如图3（b），蜂窝芯壁板交棱处的应力值超过了材料的屈服强度，蜂窝板进入塑性变形阶段。在此阶段，单层壁板的承载能力迅速下降，半波逐渐增大。比较图3（c-d）发现，受单层壁板的形变和和相邻壁板的限制影响，双层壁板开始出现局部弹性失稳，且在双层壁板上出现塑性铰和单个半波。随着形变进一步增大，压缩量大至25%和30%时，蜂窝板主要表现为以蜂窝芯塑性坍塌为主的持续压溃阶段：相邻半波（褶皱）之间开始接触，蜂窝芯上的应力值出现一定规律的上下波动，由123MPa增加到132MPa，之后又下降到125MPa，这是蜂窝芯逐渐密实化的结果[13]。当继续增加位移载荷时，蜂窝芯壁板将会完全被压实。

为分析蜂窝芯壁板应力变化，选择蜂窝芯压缩量为10%时在壁板中部选取一条路径，所取路径的左右两节点分处于两条交棱线上，获得Von-Mises应力沿路径的变化曲线，如图4所示。由图4（b）可以明显看出，路径1的应力分布沿中点对称，左端点处应力值较大，随后其值迅速下降，越过中点后开始回升，最后在右端点处再次达到较高值。该曲线还表明，蜂窝板受到轴向压力作用时，应力主要集中在壁板交棱处，而壁板中部的应力值较小[14]。

从以上分析可知，钎焊蜂窝铝板在平压变形过程中，由于单层壁板上的坍塌或压实，使得双层壁板的约束条件改变而失稳，最后导致整体结构被压皱至坍塌。

图4 蜂窝芯壁板中部von-Mises应力沿路径的变化曲线Fig.4 The change curve of the von Mises stress along the path in the center of the cell wall

3 参数优化分析

金属材料在受力时抵抗变形能力的大小主要取决于它的承载能力。因此，本节将分析蜂窝芯边长和壁板厚度对钎焊蜂窝铝板的破坏载荷的影响。本文通过统计上面板的所有节点反作用合力作为蜂窝板平压破坏载荷。

本文选取蜂窝芯壁板厚度分别为0.05mm，0.10mm，0.15mm，0.20mm，0.25mm及 0.30mm时，蜂窝芯边长为5mm，6mm，7mm，8mm的蜂窝板平压过程仿真研究。表1为不同边长、不同厚度下蜂窝板的平压破坏载荷。

表1 平压破坏载荷Tab.1 The flattening load

3.1 边长的影响

图5蜂窝芯边长与平压破坏载荷的关系曲线Fig.5 The curve of the relationship between the side length of the honeycomb core and the flattening load

图5为蜂窝芯边长与平压破坏载荷的关系曲线。从中可以看到，当单层壁板的厚度一定时，蜂窝板的抗压能力随着边长的增加而降低，只是在不同厚度时下降趋势有所区别，如表2所示。当t=0.05mm时，边长从5mm增加到8mm，下降率绝对差只有4%左右，因此可以知道当壁厚较小时，边长对蜂窝板的抗压能力的影响不大。当t≥0.15mm时，蜂窝芯边长从5mm增加到8mm，蜂窝板的抗压破坏载荷下降率先减小后增大，但数值已处于较低值，说明边长增加对蜂窝板的抗压能力的影响越来越小。

表2 边长变化对应的平压破坏载荷下降率Tab.2 The corresponding flattening of the boundary pressure decreases the load rate

从上述分析可知，钎焊蜂窝铝板的抗压性能随着蜂窝芯边长的增加而减小。究其原因是因为在单位面积内，蜂窝芯边长决定了参与承载蜂窝芯单元数量，而单元数量的多少决定了蜂窝夹层结构整体平压强度的大小[15]。

3.2 厚度的影响

图6为蜂窝芯厚度与平压破坏载荷的关系曲线。从图中的曲线可以明显地观察到，钎焊蜂窝铝板所能承受的最大破坏载荷随着单层壁厚的增加而增大。从表3中可以看到，当壁厚变化由0.05mm到0.10mm时，四种不同边长的的蜂窝板的抗压速率呈几倍增长。当壁板厚度介于0.10～0.15mm时，蜂窝板的抗压破坏载荷的增长率迅速下降。当t≥0.15mm、边长分别为5～8mm时，蜂窝芯厚度的增加对蜂窝板抗压能力的影响规律基本相同。

图6 蜂窝芯厚度与平压破坏载荷的关系曲线Fig.6 The relationship curve of the thickness of the honeycomb core and the flattening load

从上述分析可知，增加蜂窝芯厚度可迅速增强蜂窝结构的抗压性能。蜂窝结构在承受平压载荷时，由于蜂窝芯的单层壁板先达到屈服应力而产生形变，而后整体结构的坍塌是因为双层壁板达到了临界载荷，发生了屈曲破环。因此，在蜂窝铝板受压过程中，增加蜂窝芯壁板厚度将直接到蜂窝板屈曲临界载荷的大小[15]。

表3 厚度变化对应的平压破坏载荷增长率Tab.3 The horizontalpressure damage load growth rate is corresponding to the variation of thickness

4 结论

（1）在整个平压过程中，蜂窝芯的最大应力值处于壁板交棱处。与壁板交棱处相比，面板中心的应力值较小，因此在交棱处会最先发生失稳。

（2）在弹性阶段和塑性阶段，钎焊蜂窝铝板通过形变吸收了大量的能量，表现出了较好的吸能特性。

（3）蜂窝壁板厚度与蜂窝芯边长共同影响了蜂窝板的抗压性能。

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