某型直升机铝面板/铝蜂窝夹层结构承压能力研究

马凤飞，张 桥，邢益辉

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

与普通金属面板等薄壁结构相比，蜂窝夹层结构在抗弯、抗冲击等力学性能上具有明显优势，尤其是六边形蜂窝结构，在满足力学性能要求的同时极大地降低了结构重量。蜂窝夹层结构具有良好的抗弯性能，因此在很多领域得到了广泛的应用，例如航空、航天、船舶、汽车等领域。在现代直升机结构设计中，蜂窝结构被应用于动力舱、雷达罩、蒙皮、尾梁、地板等位置，成为主要承力结构[1]。在这些结构中，蜂窝夹层结构主要受到垂直面板的面外载荷，此时蜂窝夹芯的主要作用是支承面板和传递剪切力，提高结构的刚度和稳定性[2]，所以研究其垂向承压能力具有重要意义。

本文以某型直升机铝面板/铝蜂窝夹层结构为研究对象，采用有限元和试验分析相结合的方法研究分析该结构在受到垂直面板的面外载荷时非加载面板指定位置的应变-载荷变化情况，得到了一种快速精确的研究铝面板/铝蜂窝夹层结构承载能力的有限元分析方法，并通过试验得到其极限承载能力和极限载荷下的破坏模式。

1 有限元分析

1.1 有限元模型及分析方法

在结构设计中，为了快速评估受载时蜂窝结构的应力、应变及位移等情况，蜂窝结构有限元分析一般采用壳单元[3-5]进行线性模拟计算，但对受到面外垂向大载荷等工况，其分析结果往往不能如实地反应结构的强度情况，不再适合为强度设计提供依据。本文采用的有限元模型既能够对结构强度快速评估，还考虑了蜂窝厚度、几何非线性等因素对计算结果的影响，使分析结果更加准确。利用Patran建立的有限元模型如图1所示：将上下面板、封边区采用壳单元模拟，蜂窝采用实体六边形单元模拟，加载形式和边界条件与实际结构相同(即垂直内表面均布加载，四边铆钉位置简支)。

1.2 有限元结果分析

利用有限元软件Nastran分别对壳单元模型和本文有限元模型进行计算，得到某型直升机铝面板/铝蜂窝夹层结构受一定垂向大载荷时非加载面各位置(见图4)载荷-应变结果如图2所示。从图2可以看到：1)与线性壳单元模型计算结果相比，新模型计算得到的载荷-应变曲线有明显的线性和非线性阶段；2)当加载载荷小于结构定载荷30%时，两种模型计算值基本相同；3)当加载载荷达到结构定载荷100%时，两种模型计算的应变值相差明显，新模型计算的应变值比线性壳单元模型小，部分结果甚至为后者的0.5倍。

2 试验验证

2.1 试验件

试验中试件如图3所示，蜂窝夹层结构由蜂窝芯和上下面板构成，其中上下面板材料为2A12-T4-GJB2053A，蜂窝芯材料为铝蜂窝芯材53-4-0.05(Ⅱ) HB5443，蜂窝芯截面形状为正六边形。试件尺寸如表1所示。

上面板厚度/(mm)下面板厚度/(mm)蜂窝厚度/(mm)封边区厚度/(mm)0．40．4191．2

2.2 试验内容

本试验在室温下进行，试验件四边简支，通过一排铆钉与支撑L型角材结构连接，垂向均布载荷由加沙与杠杆共同作用完成加载，试验依据《军用直升机强度规范-地面试验》规定进行操作。试验件上应变花布置在其非加载面上，分布于四个角及中部，四角测点距相应边均为200mm，中部测点位于试验件几何中心，如图4所示。试验过程中根据试验要求，分别记录下不同压力下蜂窝铝面板各测量点的应变值。

试验分两种状态进行，分别为定载荷状态和极限载荷状态，得到各测点的载荷-应变数据。试验完成后试验件照片如图5所示。

2.3 试验结果分析

将各测点应变转化为最大、最小主应变及剪应变后的载荷-应变曲线如图6-图8所示，图6为线性壳单元模型计算结果与试验值对比图，图7为本文模型计算结果与试验值对比图。对计算结果、试验结果和试验后照片进行对比分析，得到结论如下：

1)采用新的有限元模型得到的计算值与试验值的量值和变化趋势一致，载荷-应变曲线相似；采用壳单元线性模型得到的计算值在载荷较小时与试验结果一致，随着载荷增加则不能与试验载荷-应变曲线保持一致或相似。

2)新的有限元模型得到的最大主应变计算值略大于试验值，表明该有限元计算结果偏保守。

3)结构在垂向面板均布压力作用下，自初始加载到试验结束，大致经历3个阶段，为弹性状态、非线性状态和失稳状态。

4)结构在3个阶段表现为：①小载荷时面板应变为线性变化，即处于弹性状态；②随着载荷增加，载荷-应变逐渐为曲线，即进入非线性状态，此时试验件变形增加加快；③载荷继续增加，当载荷增大到一定的程度(本试验为载荷到定载荷的180%～220%时)，试验件进入失稳状态，内面板发生失稳。

5)在周围连接强度满足的情况下，大载荷作用下试验件发生失稳表现为试验过程中出现声响及面板测点处应变发生突变，载荷作用面由于压缩沿对角线方向发生X型失稳，其破坏形态主要为面板起皱和起皱区蜂窝芯压塌破坏。

3 结论

本文以某型直升机铝面板/铝蜂窝夹层结构为研究对象，利用有限元方法及试验方法得到其在四边简支、大垂向载荷下非加载面四个角及中部位置的载荷-应变曲线，通过对载荷-应变曲线进行对比分析，得到结论如下：

1)新的有限元分析模型中计算结果与试验结果量值和变化趋势一致，载荷-应变曲线相似，说明蜂窝厚度和几何非线性等因素对此类结构的计算有很大的影响。

2)新的有限元模型由于考虑了以上因素,所以能够有效地说明蜂窝板的应力等分布，其计算结果可靠有效，能够作为强度设计的依据。

3)在垂向面板均布压力作用下，结构随着载荷的增加经历弹性状态，非线性状态和失稳状态三个阶段。达到失稳状态时在受压面板形成X形状的失稳，其破坏形态为面板起皱和起皱区蜂窝芯压塌破坏。

[1] 万会兵，姜大成，吕长生.某型直升机蜂窝夹层结构有限元分析[J]，机械研究与应用，2009(2)：33-34.

[2] 周祝林，杨云娣.蜂窝芯子密度及平压强度的理论分析和实验比较[J]，上海硅酸盐，1995(1)：15-23.

[3] 邵永波，黄厚彦，张宝峰.蜂窝梁承载能力的有限元模拟和分析[J]，烟台大学学报，2009(1)：59-64.

[4] 张永刚，王淑沅，方灶旺.复合材料夹层结构翼型件的有限元分析[J]，纤维复合材料，2009(2)：18-20.

[5] 何 伟.利用MSC Patran/Nastran 分析复合材料夹层结构[J]，计算机辅助工程，2006(z1)：330-332.