蜂窝芯子横向等效剪切强度分析.doc

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1、蜂窝芯子横向等效剪切强度分析泮世东*，吴林志，孙雨果（哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨，150080）E-mailaddress:sd6419866@sina.comFax:0451-86402386Tel:0451-86402376摘要：采用剪切试验测试了蜂窝芯子的横向剪切强度，发现了芯壁的弯曲变形现象；利用有限元法进一步分析了芯壁在横向位移作用下的变形规律；结合悬臂梁弯曲理论和薄板剪切屈曲理论，建立了新的蜂窝芯子横向等效剪切强度分析模型，从理论上解释了芯子横向等效剪切强度随着芯壁的升高而降低的力学机理。关键词

2、：蜂窝芯子；横向等效剪切强度；悬臂梁；薄板剪切屈曲引言蜂窝夹芯结构是由蜂窝芯子和面板组成的，由于具有比刚度大、比强度高、导热系数低和隔音性能好等优异性能，目前已经在航空航天等领域得到广泛应用。在过去的几十年中，许多学者对蜂窝芯子的力学性能进行了较为广泛的研究。GibsonandAshby[1]建立了基于芯壁的弯曲模型，研究了蜂窝芯子的面内等效刚度；MastersandEvans[2]也建立了基于芯子的弯曲模型、拉伸模型和铰链模型，对蜂窝芯子的面内弹性刚度进行了分析。Kelsey,GellatlyandClark[3]利用单

3、位位移法和单位载荷法确定了蜂窝芯子的等效剪切模量的上下限；Meraghni,DesrumauxandBenzeggagh[4]改进经典层合板理论分析了蜂窝芯子的等效剪切模量。Lee[5]等人利用试验的方法研究了蜂窝芯子的面外压缩和剪切强度。泮和吴[6]对铝合金蜂窝芯子的纵向剪切强度进行了试验测试，并建立了理论分析模型。以上对蜂窝芯子等效刚度和等效强度的分析中均没有考虑芯子高度的影响。尽管Grediac[7]利用有限元对蜂窝芯子的横向剪切模量进行了分析，并发现了芯子高度对等效剪切模量的影响，但并没有从理论模型上加以分析。本文

4、中，采用剪切试验对蜂窝芯子横向剪切性能进行了测试，并分析了其弹性变性阶段各芯壁的变形情况；在此基础上，采用有限元法定性的分析了代表性胞元的芯壁弯曲变形规律；最后根据试验测试和有限元分析结果，结合悬臂梁弯曲变形理论和薄板剪切屈曲失稳理论，建立了新的理论分析模型，对蜂窝芯子的横向等效剪切强度进行了理论分析。横向剪切试验分析图1(a)是5056系列铝合金蜂窝芯子的示意图。由于制造工艺的原因，蜂窝芯子是由铝箔通过一定成型工艺后沿着x方向胶合而成的，其中x方向为蜂窝芯子的纵向方向，y方向为蜂窝芯子的横向方向。本文中，5056蜂窝芯子

5、的边长为3mm,壁厚为0.02mm，高度为10mm。为了便于数值模拟和理论分析，选择一个如图1(b)的代表性胞元。根据美国测试与材料协会的ASTMC273-00[8]标准，试件长度为180mm，宽度为60mm。本试验是在室温条件下完成的，所采用的实验机为Zwick万能力学试验机，加载速率为0.1mm/min。本试验中试件为6个，用于测试蜂窝芯子的横向剪切性能。(a)(b)图1蜂窝芯子及其代表性胞元示意图图2是蜂窝芯子横向剪切试验测试得到的载荷－位移曲线图。根据载荷－位移曲线，可以把整个剪切变形过程大致分为四个阶段。在阶段Ⅰ

6、中，芯壁发生弹性变形，在此阶段，随着变形的增加，载荷线形增加到峰值；当载荷越过峰值后，载荷随着位移的增加而降低，从而变形进入阶段Ⅱ，在此阶段中，芯壁发生塑性变形，并伴随着部分芯壁的断裂；在阶段Ⅲ，更多的芯壁发生断裂破坏，芯壁的平行边也出现了脱胶现象；随着位移的进一步增加，变形进入阶段Ⅳ，在此阶段中，芯子和加载板层间出现分层破坏，载荷也明显下降。图2蜂窝芯子横向剪切测试的载荷－位移曲线蜂壁变形的有限元分析蜂窝芯子的面外剪切性能测试中，发现芯壁的变形不仅仅是剪切变形，而且还包括弯曲变形。因此，采用有限元的方法对蜂窝芯子代表性胞

7、元在横向位移作用下各芯壁的变形情况进行分析。采用四节点板壳单元对代表性胞元进行建模，考虑到剪切测试过程中加载钢板的弹性模量要远高于蜂窝芯子的等效弹性模量，所以在有限元模拟过程中不考虑加载板的弹性变形，把它们看(a)(b)Fig3横向剪切位移作用下的蜂窝芯壁弯曲变形图成刚体。代表性胞元的下端采用固支约束，上端施加横向位移。图3(a)是横向位移作用下代表性胞元中平行边的弯曲变形图。从图中可以明显发现芯壁的弯曲变形在芯壁高度方向上呈现出反对称特征。因而可以选出其代表性部分的变形（图3(b)）进行进一步的分析。从图3(b)中可以看

8、出，芯壁的变形与悬臂梁在端部载荷作用下的变形相同，因而本文中采用悬臂梁弯曲变形理论处理芯壁的弯曲变形。横向等效剪切强度分析在对蜂窝芯子横向剪切性能进行试验测试中发现：蜂窝芯子的最大承载能力基本发生在芯子弹性变形结束后不久，所以蜂窝芯子的等效剪切强度的理论预报模型可以建立在蜂窝芯子的弹性变形基础之上。假定