一种铝蜂窝夹层结构仿真方法研究
某蜂窝夹芯结构抗拉破坏模式研究与工程应用
的破坏模 式和 影响 因素进行 了研 究， 指出该结构具有重量轻、 强度大、 隔热等优点 ， 值 得推广。
关键 词 ： 蜂 窝结构 ， 夹芯结构 ， 破 坏模 式 ， 有 限元分析
中图分类号 ： Ｔ Ｕ ３ １ ２ ． ３ 文献标识码 ： Ａ
０ 引言
焊部位 、 点焊部位和蜂窝材料失效应变相 同均为 ０ ． ５ ； 工况 ２为点
下 面 板
随着焊接部位失效应变的减小 ， 面芯脱离 的程 度越大 。由于钎焊
部位 的面芯脱离导致 应力 的释放 ， 在 点焊部 位不 产生应 力集 中 ， 此 时该 芯子的应 力集 中部位主要出现在两点焊的 中点部位 。
图 ２ 蜂窝结构 示意图
１ ． ２ 材 料模 型
上下 面板 和芯子 均采 用 Ｍ ａ ｔ — Ｐ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ — Ｋ ｉ ｎ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ 材 料模 型 ２ 工 程应用 在 航空航天领域 ， 飞机采 用蜂 窝夹芯 结构 可减 轻结 构重量 、 来模拟某种铝合金 ， 上下 面板 和蜂窝 芯子材料 参数 见表 １ 。以失
第３ ９卷 第 ６期
２ ０ １ ３年 ２ 月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨ Ｉ ＴＥＣＴＵＲＥ
Ｖ０ Ｉ ． ３ ９ Ｎｏ ． ６
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０１ ３ Nhomakorabea・１ １・
・
结 构
・抗 震
・
文章编 号： １ ０ ０ ９ — ６ ８ ２ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ — ０ ０ １ １ — ０ ２
提高疲劳寿命 、 提高飞机表面质量和维持外形稳定 效应变作为材料 破坏 的判 据 ， 分两 种工况 进行 讨论 ： 工 况 １为钎 减少应 力集 中 、
基于等效理论的多夹心层蜂窝板模态分析
翟 光 杨小平
梁斌 李成
ZHAI Guang YANG XiaoPing LIANG Bin LI Cheng
( 哈尔滨工业大学 深圳研究生院, 深圳 518055)
( Shenzhen Graduate School , Harbin Insititute of Technology , Shenzhen 518055, China)
518
机
械
强
度2007 年2 三 Nhomakorabea治夹心板等效模型
三明治夹心板理论是对蜂窝夹心进行等效的一种
有效的方法, 假定芯层能抵抗横向剪切变形并具有一
定的面内刚度, 上下蒙皮服从 Kirchhoff 假设, 忽略其抵 抗横向剪应力的能力, 则蜂窝芯层可以等效为一均值
的厚度不变的正交异性层, 在 x 向、y 向以及面内( 即
519
图 3 第一阶模态振型 Fig. 3 Order 1 modul e shape
图 4 第二阶模态振型 Fig. 4 Order 2 module shape
图 5 第三阶模态振型 Fig. 5 Order 3 module shape
图 6 第四阶模态振型 Fig. 6 Order 4 modul e shape
)]
( 10)
剪应力
xy =
F 2bl cos
=
F 2l cos
( 11)
于是得到面内剪切模量为
Gxy =
( h l + sin ) ( h l ) 2[ h l + 2( 1- sin
) ] cos
t l
3
E
( 12)
根据应变能相等的原则, 可以求出蜂窝夹芯在 xz
仿蜂窝防护结构的承载特性
第51卷第3期2021年5月吉林大学学报（工学版）Journal of Jilin University ( Engineering and Technology Edition)Vol. 51 No. 3May 2021仿蜂窝防护结构的承载特性于征磊“2,信仁龙2,陈立新2,朱奕凝3,张志辉2,曹青2,金敬福％赵杰亮(1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022;2.吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春130022;3.延边大学农学院，吉林延吉133002;4.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081)摘要：为满足对结构安全方面的要求，本文借鉴蜂窝结构强度比高、力学性能优异的特性，运用结构仿生学原理设计并建立了简化的仿直蜂窝、仿斜蜂窝和平板结构3种模型。
在5种不同 工况下利用有限元分析软件OptiStruct对3种模型进行了承载特性分析，运用3D打印技术制 备3种模型，并对样件进行力学特性试验。
根据模拟结果与试验数据对比分析得到以下结论：仿斜蜂窝结构各位置的应力数值相近，仿斜蜂窝具有良好力学传导特性；在相同质量情况下，仿斜蜂窝结构的承载能力较仿直蜂窝结构提高12%，较平板结构提高150%,其承载能力有着 较大的优势，所以仿斜蜂窝结构较为合理。
本文的研究实现了对仿蜂窝结构的承载性能分析，为防护结构轻量化设计提供了参考。
关键词：工程仿生学；仿生结构设计；3D打印；承载特性；数值模拟；结构安全设计中图分类号：T B17 文献标志码：A文章编号：1671-5497(2021)03-1140-06DOI ：10. 13229/ki.j d x b g x b20200056Load bearing characteristics of honeycomb protection structureY U Z h e n g-lei''2,X I N R e n-long2,C H E N Li-xin2,Z H U Y i-ning:i,Z H A N G Zhi-hui2,C A C)Q i n g2,JIN Jing-fu2,Z H A C)Jie-liang4(1. Stale Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Ji/iti University, Changehu?i130022, China；2. Key Laboratory of Bionic Engineering, Mitiistry of Education, Jilin University, Changchun130022, China；3. Agriculture College^ Yanbian University, Yanji133002, China-,4. Department of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology^ Beijing 100081, China)Abstract：In order to m e e t the requirements of structural safety,in this p a p e r,first,the characteristics of high strength ratio and high mechanical properties of h o n e y c o m b structure w e r e used for reference,and applies the principle of structural bionics to design and establish three simplified structure m o d e l s,the direct h o n e y c o m b structure,oblique h o n e y c o m b structure and plate structure.S e c o n d,under five different w o r king conditions,the finite element analysis software OptiStruct w a s used to analyze the bearing characteristics of three m o d e l s.Finally，the three m odels w e r e prepared by 3D printing technology,and the收稿日期：202〇-〇l-23.基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFB1105100);国家自然科学基金项目（51975246);吉林省科技发展计划项目（YDZJ202101ZYTS134);汽车仿真与控制国家重点实验室自由探索项目（郦d-zytsxm-202013);吉林省教育厅“十三五”科技项目（YDZJ202101ZYTS134);工程仿生教育部重点实验室开放基金项目(KF20200001).作者简介：于征晶（1984-)，男，副教授，博士 .研究方向：仿生结构设计.E-m ail:************.cn通信作者：金敬福（ 1978-),男，教授，博士生导师.研究方向：工程机械仿生设计.***********************.cn第3期于征磊，等：仿蜂窝防护结构的承载特性•1141 •mechanical properties of the samples wer e tested and c o m p a r e d with that of simulation results.It is s h o w n that the stress values at each position of the structure are similar to each other,and the structure has g o o d mechanical conductivity.U n d e r the condition of the s a m e quality,the bearing capacity of the imitation oblique h o n e y c o m b structure is 12%higher than that of the imitation vertical h o n e y c o m b structure,and 150%higher than that of the plate structure.This w o r k m a y provide a reference for the lightweight design of the protection structure.Key words：engineering bionics；bionic structure design；3D printing；bearing characteristics；numerical simulation；structural safety design〇引言结构设计已广泛应用于航天航空、车辆船舶 等领域，随之而来的是结构的安全问题越来越受到人们的关注，结构防护工程领域亦成为了研究热点。
正交异性蜂窝夹层板动_静力学问题的等效分析方法
现用解析方法和等效方法分析四边简支情况下
这两个算例中蜂窝板的自由振动情况。
(1) 解析方法的求解过程 设蜂窝板动力学方程组 (2) 的解[9] 为
Υx = A 5 (x )W (y ) sin ΞΣ
Υy = B W (x ) 5 (y ) sin ΞΣ
MEHTOD OF EQUIVALENT ANALYSIS FOR STATICS AND DYNAMICS
BEHAVIOR OF ORTHOTROPIC HONEYCOMB SANDWICH PLATES XU Sheng 2jin1,3 , KONG Xian 2ren 1, WANG Ben 2li1, MA Xing 2rui 2, ZHANG Xiao 2chao 3
+
(B
k 1
+
C k ) Υx , x y +
Υ - B k 2 y, yy
bk (Υy + w , y ) =
I
k 1
Υβy
( 2b )
ak (Υx , x + w ) , x x + bk (Υy , y + w ) , yy + q = I k0wβ
(2c)
上式中各刚度系数及广义惯量 (含义参见文[7] ) 的
好地近似蜂窝夹层板, 其近似程度也不好确定。第二 种方法是通过试验的方法测定各种蜂窝夹层结构得 到刚度矩阵, 然后编制各种蜂窝板的材料单元库, 再 与通用有限元程序进行接轨或自编有限元程序。 这 种方法的难点是需要对各种类型的蜂窝板进行测 定, 由于工艺的原因使得试验数据分散性很大, 即使 是同类型蜂窝板也要进行大量的试验才能得到可信 的测量数据, 况且蜂窝板的制造成本非常高, 所以这 种方法也很不易实现。 第三种方法是等效方法[4,5] , 是多年来人们极力追求的方法, 即先在理论上找出 蜂窝夹层结构的等效力学模型, 实际分析时, 用等效 力学模型代替原来结构可以近似地求出某些想要的 结果。 这种方法容易实现, 且容易达到较高的精度,
复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用
复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用摘要：飞机结构设计的基本原则是在满足强度要求的情况下使结构尽可能轻，这一要求必然导致需利用稳定的薄蒙皮承受拉伸载荷和压缩载荷，以及剪切、扭转、弯曲载荷的耦合作用。
传统的飞机结构设计中使用了纵向加强件和增稳桁条、翼肋和隔框等结构加强蒙皮，这样不可避免会带来结构增重问题。
提高结构比刚度的有效结构形式之一是夹层结构，复合材料夹层结构具有重量轻、强度刚度好，耐热、吸声隔音、抗冲击、耐疲劳等特点，已被广泛应用于航空航天中。
关键词：复合材料；蜂窝夹层；飞机；结构设计蜂窝夹层结构复合材料是50年代末发展起来的一种轻质、高强、各向异性的复合材料。
蜂窝夹层结构的密度小,可以明显的减轻结构重量;它的导热系数低,可以作为绝热和保温构件使用;它的比强度和比刚度高,可根据特殊的要求进行各向异性设计与制造。
因此长期以来备受航空、航天等领域的关注,尤其在航空工业中,蜂窝夹层结构复合材料己成功的大量应用于飞机的主、次承力结构件,如机翼、机身、尾翼和雷达罩等部位。
由于飞机飞行的环境条件比较苛刻,要求飞机用材料不仅有足够的强度、抗冲击性和刚度,而且还需良好的耐疲劳性、阻燃性、减重及抗腐蚀等许多特殊要求。
为了使飞机能正常进行飞行,在对所选用的材料性能进行全面的分析后,还需探索清楚构件性能与成型工艺之间的规律,这是材料应用的重要环节。
一、蜂窝夹芯结构的特点1、发挥复合效应的优越性。
夹层结构复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的,但它并不是由几种材料简单的复合,而是按复合效应形成新的性能,这种复合效应是夹层结构复合材料仅有的。
例如当夹芯板承受弯曲载荷时,上蒙皮被拉伸,下蒙皮被压缩,芯子传递剪切力。
从力学角度分析,它与工字梁很相似,面板相当于工字梁的翼缘,芯材相当于工字梁的腹板。
不同的是芯材与面板不是同一材料,芯材是分散的,而不是集中在狭腹板上。
由于轻质夹芯的高度比面板高出几倍,剖面的惯性距随之四次方增大,且面板有夹芯支持不易失稳。
蜂窝夹层结构复合材料
.夹层结构一种复合构造的板、壳结构，它的两个表面由很薄的板材做成,中间夹以较轻的夹芯层。
前者称为表板,要求强度高；后者称为夹层，要求重量轻。
第二次世界大战时,为了充分利用木材资源,英国的“蚊式”轰炸机上就采纳了全木质夹层结构。
一样夹层结构用于机翼、尾翼、机身、箭体、箭头、减速板、发动机短舱、隔音装置、防火隔板等。
与薄壁结构的薄蒙皮相较，夹层板的厚度大得多，抗击失稳能力强，重量还可减小，而且表面滑腻，气动外形良好。
但它的制造工艺复杂，工艺质量又不易查验，因此应用受到限制。
夹层结构表板的材料有、不锈钢、和各类。
夹层材料有轻质木材、泡沫塑料等，也可用金属材料或复合材料制成波纹板夹层或蜂窝型夹层（见）。
夹层与表板一样用胶粘结在一路,也可用熔焊、焊接连接,形成整体。
在整体受力分析中，以为上、下两表板只经受表板面内的拉、压力和剪切力,不能经受弯矩和扭矩,而中间夹层只经受垂直于夹层中面的切力。
夹层结构与一样板壳结构受力分析的唯一不同在于挠度计算中除考虑弯曲力矩产生的挠度外，还要考虑剪力的阻碍。
夹层结构的两表板之间距离较大，因此夹层结构的弯曲刚度比一样板壳结构大得多，失稳临界应力显著提高。
夹层结构自身不用铆钉,免去钉孔引发的应力集中,提高了疲劳强度。
夹层结构与相邻结构的连接较为复杂，夹层本身的局部接触强度较弱,又需经受连接的集中力,因此必需妥帖进行接头设计。
轻质夹芯高强度面层.类型、特点及应用类型：按面层分类：玻璃钢、金属、绝缘纸、胶合板、塑料板等按芯层分类：泡沫夹层结构、波板夹层结构、蜂窝夹层结构等。
特点：泡沫夹层结构的夹芯材料是泡沫塑料其质量轻、刚度大、保温隔热性能好。
可是强度不高蜂窝夹层结构的夹芯材料是蜂窝材料(玻璃布蜂窝、纸蜂窝、棉布蜂窝等)特点：质量轻、强度大、刚度大应用：构件尺寸较大、强度要求较高的部件。
如图：波板夹层结构波板夹层结构的夹芯材料是波纹板(玻璃钢波纹板、纸基波纹板和棉布波纹板)。
特点：制作简单，节省材料，但不适用于曲面形状的制品，质量轻、刚度大。
航空用蜂窝夹层结构及制造工艺
航空用蜂窝夹层结构及制造工艺摘要：蜂窝夹层复合材料的设计与制造是先进飞机研制的关键技术之一。
随着新材料、新工艺和新技术的发展，飞机结构用蜂窝夹层结构在蜂窝类型、规格（容重与孔格大小）、预浸料特性（流变特性、自粘性、悬垂性）及面板厚度、胶膜选择及使用与否均有新的特点，其结构特性与成型工艺、性能和成本有着密切关系。
关键词：航空结构；蜂窝；夹层结构；成型工艺；预浸料；胶粘剂；叙述了蜂窝夹层结构在飞机结构上的应用，介绍了航空用蜂窝夹层结构原材料性能与选择依据。
在分析典型夹层结构特点及成型方式的基础上介绍了热压罐工艺、真空袋工艺、模压工艺及液体成型工艺成型飞机夹层结构的特点。
一、蜂窝芯子蜂窝种类包括Nomex蜂窝、铝蜂窝及玻璃布蜂窝等，其功能是将上、下面板隔开，以承受由一个面板传递到另一个面板的载荷和横向剪力。
根据孔格形状可分为正六边形、过拉伸、单曲柔性、双曲柔性、增强正六边形和管状等，在这些蜂窝夹芯材料中，以增强正六边形强度最高，正六边形蜂窝次之。
由于正六边形蜂窝制造简单，用料省，强度也较高，故应用最广。
应用上，由于NOMEX蜂窝与铝蜂窝相比，局部失稳的问题要小得多，而且NOMEX材料不导电，不存在电化腐蚀问题，还能够满足FST（烟雾毒性）等要求，所以在航空制造上具有广泛的应用领域。
不同规格的蜂窝具有不同的密度和力学性能，密度小于48kg/m3的蜂窝属于低密度蜂窝，这类蜂窝在民机、直升机、无人机等亚音速飞机上具有广阔的使用前景。
密度为48~80kg/m3的蜂窝称为中、高密度蜂窝，具有较高的强度及刚度，广泛应用于某些有特殊力学性能要求的部位，如歼击机的平尾、鸭翼及方向舵等。
目前国外航空用蜂窝的生产厂家主要有Hexcel、M.C.Gill、Plascore、Advanced Honeycomb Technologies及Euro-technologies Inc.等，国内主要是中航复合材料有限责任公司。
不同厂家生产的Nomex蜂窝制造标准和产品性能是有差异的，选用时可参考GJB1874及其他有关资料。
完整版铝蜂窝板资料
一、铝蜂窝板起源科学家发现，蜜蜂所做的六角六面状窝是一个杰作，它以最少的材料消耗，构筑成极为坚固的蜂窝，其结构要比其他任何形状的结构更强有力。
因为这种多墙面的排列和一系列连续的蜂窝形的网状结构，可以分散来自各方的外力，使得蜂窝结构对挤压力的抵抗，比任何圆形或正方形要高得多。
科学家对蜂窝结构的研究，给人们的启迪是，即使非常纤薄的材料，只要把它制成蜂窝形状，就能够承受很大的压力。
正是收到蜂巢的启发，铝蜂窝板蜂窝结构材料才开始面世。
二、铝蜂窝板简介铝蜂窝板是结合航空工业复合蜂窝板技术而开发的金属复合板产品系列。
该产品采用“蜂窝式夹层”结构，即以表面涂覆耐候性极佳的装饰涂层之高强度合金铝板作为面、底板与铝蜂窝芯经高温高压复合制造而成的复合板材。
铝蜂窝板产品系列具有选材精良、工艺先进和构造合理的优势，不仅在大尺度、平整度有出色的表现，而且在形状、表面处理、色彩、安装系统等方面有众多的选择。
此外，面板除采用铝合金外，还可根据客户需求选择其它材质，例如：铜、锌、不锈钢、纯钛、玻璃纤维、防火板等。
三、铝蜂窝板构造采用高强度合金铝板作为面板与底板，中间用航空粘合剂内粘六角铝箔蜂窝芯，经热压复合成型并在铝板表面施加装饰性或防腐蚀性涂层的一种高档三层全铝结构装饰板材。
四、铝蜂窝板特点-板材平整度高-安装方便快捷-板材重量轻、强度高-可实现大块面的板材-蜂窝状芯材有助于空间的保温效果-丰富的颜色和表面处理可供选择-出色的定制化加工能力，满足客户的个性化需求-高质量材质和先进加工工艺，确保产品经久耐用-各种安装系统适用不同方案，且便于安装和日常维护五、铝蜂窝板产品用途（1）建筑幕墙外墙挂板（2）室内装饰工程（3）广告牌（4）船上建筑（5）航空制造业（6）室内隔断及商品展示台（7）商用运输车和货柜车车体（8）公共汽车、火车、地铁及轨道交通车辆（9）对环保要求很严的现代家具行业来说，用铝蜂窝板来做家具的加工材料，是新世纪一种很好的材料选择，其完全无毒的绿色品质，让铝蜂窝板面板可多样化如实木，铝板，,家具商在加工家具时，少了不必要的环保程序；另外．石膏板，天然大理石材，均可做成蜂窝板，材料选择方便。
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一种铝蜂窝夹层结构仿真方法研究
作者：李召富 马龙 王万静 王晓军
来源：《现代商贸工业》2018年第07期
摘要：依据国家标准GB/T 1456—2005《夹层结构弯曲性能试验方法》中相关规定选取铝
蜂窝夹层结构目标样件及计算载荷工况，并进行样件弯曲刚度数值计算。采用Sandwich夹芯
板理论建立两种样件有限元模型，通过不同的修正系数对模型进行修正，验证数值计算与仿真
分析的吻合性。
关键词：铝蜂窝；仿真方法；夹层结构
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.07.089
1引言
铝蜂窝板具有轻量化、高强度、高刚度、优良隔音性能、隔热、阻燃、减震、吸能、电磁
屏蔽等优点，目前已在轨道交通、国防军事、航空航天、建筑建材等工程技术领域广泛应用。
铝蜂窝材料具有各向异性等材料性能，材料性能与其结构尺寸有关，为缩短研究周期、降低试
验成本、增加结构可靠性，对铝蜂窝板进行仿真分析研究，并与数值经验公式进行对比，验证
仿真合理性。
2计算工况及边界条件
依据国家标准GB/T 1456—2005《夹层结构弯曲性能试验方法》中相关规定选取计算载荷
工况，载荷施加与边界条件见图1，各个试样的载荷选取依据《蜂窝地板三点弯曲试验报
告》，初始载荷为试样破坏载荷的20%，30%，分别对每个试样的Sandwich 4个模型进行计
算，各试样施加载荷情况参见表1。
3仿真建模参数
参照国标GB/T 1456—2005《夹层结构弯曲性能试验方法》中相关规定，选取2种铝蜂窝
夹层结构试样，其中图2为试样三维模型，图3为夹层结构尺寸示意图，试样具体尺寸和相关
材料参数见表2。
3.1等效方法
采用Sandwich夹芯板理论仅对夹芯层作了正交各向异性简化，计算量小且容易实现，参
数计算方法如下：
l*为蜂窝胞元的边长（mm）；
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γ为修正系数，取决于加工工艺，一般取0.4～0.7；
Ex为等效板x方向弹性模量（MPa）；
Ex为等效板y方向弹性模量（MPa）；
Gxy为等效板xy方向剪切模量（MPa）；
Gxz为等效板xz方向剪切模量（MPa）；
Gyz为等效板yz方向剪切模量（MPa）。
3.2材料参数
依据Sandwich夹芯板等效理论，并参照不同的γ取值，计算得出夹芯层的等效参数参见
表3、表4，Sand-wich夹芯板等效模型中面板的参数和夹芯层的厚度与真实模型相同。
4有限元模型
建立每个试样Sandwich等效模型，采用Abaqus中的复合材料建模方法，采用壳单元，根
据不同的材料属性分别计算4次，图4为有限元模型，表5为4种试样有限元模型的具体数
据。
5计算结果与分析
根据GB/T 1456—2005{夹层结构弯曲性能试验方法》的夹层结构弯曲刚度理论值见表6，
根据有限元计算结果并与进行比较，计算出误差。
5.1试样1计算结果
表7～表10为对试样1的4种模型进行计算的位移结果，以及根据位移计算出的夹层结构
弯曲刚度和相对理论弯曲刚度值的误差，表中左侧位移对应图1中4点的位移，右侧位移对应
图1中2点的位移，中间挠度对应图1中3点的位移。
由计算结果可知，由Sandwich等效模型计算出的试样1夹层结构弯曲刚度相对理论值的
误差为5.31%～5.35%。
5.2试样2计算结果
表11～表14为对试样2的4种模型进行计算的位移结果，以及根据位移计算出的夹层结
构弯曲刚度和相对理论弯曲刚度值的误差。
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由计算结果可知，由Sandwich等效模型计算出的试样2夹层结构弯曲刚度相对理论值的
误差为5.32%～5.37%。
6结论
对两种铝蜂窝夹层结构试样分别采用Sandwich等效模型进行仿真计算，分别采用0.4，
0.5，0.6，0.7四种系数对模型进行修正，仿真结果与GB/T 1456—2005《夹层结构弯曲性能试
验方法》弯曲刚度理论值进行对比。试样1的误差为5.31%～5.35%，试样2的误差为
5.32%～5.37%，其中γ=0.4时计算出的夹层结构弯曲刚度相对理论值的误差最小。
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