钎焊铝蜂窝夹层板的平压变形过程分析

陈李桥， 熊履搏

(西南交通大学土木工程学院桥梁工程系，四川成都 610031)

蜂窝结构为芯层的蜂窝夹层板，其灵感来源于天然六边形蜂窝。以铝合金制成的蜂窝铝板由于其独特的结构不但在同等体积的其他材料中质量最轻，且刚度和整体稳定性都非常好，具有优良的力学性能，还具有隔音、隔热性能。铝合金既没有放射性，也可以完全回收重复利用，节约资源和能源，这使得蜂窝铝板成为一种节能、环保、健康的新材料。并且用焊接法制造的蜂窝铝板，其接头为冶金结合，克服了传统胶粘蜂窝铝板强度、使用寿命及允许的工作环境在很大程度上受胶粘剂制约的缺点。因此，该结构被广泛地应用在航空、航天、交通运输、建筑、军事等领域[1-7]。本文以应用最为广泛的正六边形蜂窝夹芯的钎焊铝蜂窝夹层板为研究对象，对其平压变形过程进行了模拟分析，其结构示意如图1所示。

图1 钎焊铝蜂窝夹层板及蜂窝芯子钎焊结构示意

1 钎焊铝蜂窝夹层板平压变形过程的有限元模拟

钎焊铝蜂窝夹层板模型结构尺寸为94 mm×94 mm×50 mm，其上、下面板厚度为2 mm，六边形蜂窝结构的边长为6 mm，壁厚为0.2 mm，并考虑钎焊焊料的厚度为0.2 mm。基于其结构特点，蜂窝结构采用壳单元，上、下面板采用实体单元，钎焊铝蜂窝夹层板有限元模型见图2。

图2 钎焊铝蜂窝夹层板有限元模型

图3 有限元模型网格划分

上、下面板的实体单元和蜂窝结构的壳单元通过壳-实体耦合，模型的边界条件为下面板完全固结；荷载通过对上面板在竖向施加10 mm的动态位移实现。由于在平压过程中发生了塑性变形，其材料特性已经进入材料非线性阶段，所以选用vonMises屈服准则和各向同性硬化定律[8]。对模型的蜂窝结构部件进行四边形自由网格划分，面板结构进行六面体扫掠划分，均采用进阶算法，避免铝蜂窝夹层板由于各区域内节点分布的不同而导致分界面网格不规则，如图3所示。

2 有限元仿真结果分析

2.1 平压过程位移变化分析

钎焊铝蜂窝夹层板的平压过程经历了从弹性屈曲变形到塑性屈曲变形到整体失稳再到密实化的4个阶段。图4(a)和图4(b)中，从第1增量步时蜂窝结构壁板就发生了变形，只是形变量不大，在图中表现得不明显。第1增量步到第50增量步蜂窝结构壁板的变形程度逐渐增大，蜂窝结构处于弹性屈曲变形阶段。从第50增量步开始，蜂窝结构壁板出现明显变形，多蜂窝结构壁板交汇处不再保持直线，弯曲变形越来越大，如图4(c)所示，为塑性屈曲变形阶段和失稳阶段。从图4(d)中可以明显看到相邻壁板因塑性弯曲而相互接触，蜂窝芯进入塑性强化+密实化阶段。

图4 平压过程变形情况

2.2 平压过程Mises应力云图变化分析

在ABAQUS中得到压缩变形过程的Mises应力云图，为了便于观察中间蜂窝结构的情况，以平行于XZ平面的截面在Y方向截取一半铝蜂窝夹层板，如图5所示。

图5 Mises应力云图

蜂窝结构的应力分布在同一压缩量即同一时刻时，应力最大的区域总是出现在蜂窝结构壁板的交棱上，且靠近面板区域，而壁板其他部分的应力值相对较小。如图5(a)所示，压缩量较小时，壁板交棱处出现应力集中，集中区域呈岛状分布在靠近面板的区域。随着压缩量的增加，应力集中区域不断扩大，岛状区域连接起来，并开始向壁板中部扩展，如图5(b)所示。随着压缩量的进一步增大，基本扩展到整个交棱、呈不规则形状分布的应力区域上出现了更大的应力，它们刚出现时也成岛状分布在交棱靠近面板的区域，见图5(c)。压缩量继续增加，应力集中区域继续扩大，集中应力的值不断增大。更大的应力仍然最先在交棱上集中，然后随压缩量的增加而沿交棱或向壁板中部扩展。在整个平压过程中，蜂窝结构中部的应力值始终相对交棱处较小。可见，蜂窝结构在轴向压力作用下，壁板交棱处受力最大，表现为应力集中出现在交棱处。

3 钎焊铝蜂窝夹层板结构的优化

3.1 确定优化参数

钎焊铝蜂窝夹层板的力学行为和性能取决于面板的厚度、中间蜂窝材料的性能和几何因素。利用有限元软件研究蜂窝结构边长、蜂窝夹层板面板厚度对钎焊铝蜂窝夹层板平压性能的影响。其中，边长分别取l=4 mm，l=6 mm，l=8 mm，面板厚度分别取t=0.1 mm，t=0.2 mm，t=0.3 mm。

3.2 蜂窝结构边长对平压力学性能影响研究

为了研究蜂窝结构边长对钎焊铝蜂窝夹层板性能的影响，对边长分别取l=4 mm，l=6 mm，l=8 mm的蜂窝结构在不同面板厚度的情况下进行有限元模拟。如图6所示为蜂窝结构边长对平压破坏载荷影响关系曲线。

图6 不同边长有限元模拟结果

从图中可以看出，当蜂窝结构壁板厚度相同时，铝蜂窝夹层板抗压能力随着蜂窝结构边长的增加而下降，且蜂窝结构壁板厚度越大，平压破坏载荷随蜂窝芯边长的增加而下降的速度越快，蜂窝芯边长对铝蜂窝夹层板的抗压能力影响越明显；当蜂窝芯边长小于6 mm时，蜂窝芯边长对蜂窝夹层板平压强度的影响较边长大于6 mm时大，蜂窝结构边长对铝蜂窝夹层板抗压能力影响明显。蜂窝结构边长增加，铝蜂窝夹层板抵抗平压能力下降，究其原因是因为在单位面积内，蜂窝结构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。

3.3 蜂窝结构壁板厚度对平压力学性能影响研究

为了研究蜂窝结构壁板厚度对铝蜂窝夹层板平压性能的影响，对蜂窝芯边长为l=4 mm，l=6 mm，l=8 mm的铝蜂窝夹层板在不同蜂窝结构壁厚t=0.1 mm，t=0.2 mm，t=0.3 mm的情况下进行平压模拟试验。图7所示为蜂窝结构壁厚对平压破坏载荷影响关系曲线。

在蜂窝结构边长不变的情况下，铝蜂窝夹层板抗压破坏载荷随着蜂窝结构壁板厚度的增加而增加，两者近似呈线性关系。蜂窝芯边长相同时，随着蜂窝结构壁板厚度增加，铝蜂窝夹层板抗压能力增加速度越来越慢。即壁板厚度越小，其对铝蜂窝夹层板平压性能的影响越显著。蜂窝结构在受到面外平压载荷作用时，首先从单层蜂窝芯壁处开始发生变形失稳，之后是双层壁变形，当双层壁板达到其最大承载能力时，蜂窝芯壁板就会发生最终屈曲破坏。在铝蜂窝夹层板受压过程中，增加蜂窝结构壁板厚度将直接影响到铝蜂窝夹层板屈曲临界载荷的大小。

图7 不同厚度有限元模拟结果

4 结论

本文对钎焊铝蜂窝夹层板的蜂窝结构边长、蜂窝夹层板面板厚度对钎焊铝蜂窝夹层板平压性能的影响开展研究，建立有限元模型，分析边长分别取l=4 mm，l=6 mm，l=8 mm，面板厚度分别取t=0.1 mm，t=0.2 mm，t=0.3 mm时对钎焊铝蜂窝夹层板平压性能的影响，得到以下结论：

(1)当蜂窝结构壁板厚度相同时，铝蜂窝夹层板抗压能力随着蜂窝结构边长的增加而下降。

(2)当蜂窝结构边长不变的情况下，铝蜂窝夹层板抗压破坏载荷随着蜂窝结构壁板厚度的增加而增加，两者近似呈线性关系。