一种蜂窝夹层板有限元建模方法技术

本发明专利技术公开了一种蜂窝夹层板有限元建模方法，将蜂窝芯层等效成一正交各向异性均质板，蒙皮与胶粘层等效成各项同性板。以蜂窝芯层中的Y单元为基本单元，考虑蜂窝壁的弯曲变形、拉伸变形及剪切变形，并依据力学分析及能量分析推导其等效弹性模量、剪切模量、泊松比。考虑预埋件质量的影响，将其以集中质量的方式耦合在芯层的上下表面上。将胶粘层质量赋予上下蒙皮，体现在蒙皮的密度上。依此构建蜂窝夹层板的有限元模型，对自由状态下蜂窝夹层板进行模态分析，获取结构的前四阶固有频率及振型。本发明专利技术适用于各种尺寸的蜂窝夹层板，芯层等效参数的数学表达式准确度高，建模方式简单高效，可为蜂窝夹层板动态特性的高精度计算提供保障。供保障。供保障。

【技术实现步骤摘要】
一种蜂窝夹层板有限元建模方法


[0001]本专利技术涉及机械结构的有限元建模及仿真分析领域，具体涉及一种铝蜂窝夹层板的等效建模方法。

技术介绍

[0002]铝蜂窝夹层板具有重量轻、强度高、抗冲击性能好等优点，被广泛应用于航空航天、建筑、交通等领域之中，如卫星、大楼幕墙、地铁车辆等中。这些机械装备通过蜂窝夹层板传递载荷和振动，蜂窝夹层板的各项力学性能及振动特性影响着装备的整体性能。在工程实际中，为了保证装备的可靠性，需要通过有限元建模进行动力学分析。合适有效的建模方式是使得有限元计算结果与实验结果误差较小的必要前提，保证仿真结果的准确性。
[0003]然而，铝蜂窝夹层板芯层为空心结构，ANSYS、ABAQUS等大型通用有限元软件的单元库中并不含有蜂窝单元，采用实体建模必然造成网格质量过差、计算时间过长等问题，因此需要对蜂窝夹层板等效处理。目前，主要是将整个蜂窝板等效成各项同性或正交各项异性的均质板。但是，这些建模方法对芯层等效参数的推导并不全面，并且没有考虑到胶粘层质量的影响及蜂窝壁的剪切变形。因此，这些建模方法是不严谨、不准确的。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种蜂窝夹层板有限元建模方法，以克服现有技术的缺陷，本专利技术以蜂窝芯层中的Y单元为基本单元，利用等效前后力学性能一致的思想，根据力学分析及能量分析推导蜂窝芯层的各项等效参数，在建模的过程中考虑胶粘层质量的影响及胞壁的剪切变形，使得推导结果更加准确，为蜂窝夹层板的动力学分析提供基础。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种蜂窝夹层板有限元建模方法，包括以下步骤：
[0007](1)将蜂窝夹层板芯层部分等效成一各向异性的均质板，将蒙皮层与胶粘层等效成一各向同性均质壳板，推导等效芯层的弹性参数和密度以及等效蒙皮的密度，构建蜂窝夹层等效板的三维几何模型；
[0008](2)分别设置蜂窝夹层等效板三维几何模型的材料属性和单元类型，考虑预埋件的质量，构建蜂窝夹层板有限元模型。
[0009]进一步地，所述步骤(1)中等效芯层的弹性参数包括横向弹性模量、纵向弹性模量、垂向弹性模量、xy平面内剪切模量、xz平面内剪切模量、yz平面内剪切模量、xy平面内泊松比、xz平面内泊松比、yz平面内泊松比。
[0010]进一步地，所述步骤(2)中蜂窝夹层板有限元模型在ABAQUS中建立，包含两处单元设置与一处约束设置，两处单元设置分别为等效芯层和等效蒙皮的单元划分，一处约束设置为等效芯层与等效蒙皮之间的接触，预埋件以集中质量的方式添加在等效芯层表面上。
[0011]进一步地，所述等效芯层的横向弹性模量及纵向弹性模量分别为
[0012]所述等效芯层的垂向弹性模量为所述等效芯层的xy平面内剪切模量为所述等效芯层的xz平面内及yz平面内剪切模量分别为所述等效芯层的xy平面内泊松比为所述等效芯层的xz平面内泊松比及yz平面内泊松比为μ
xz
≈0、μ
yz
≈0，所述等效芯层的密度为所述等效蒙皮的密度为其中，t为蜂窝胞壁的厚度，l为斜边蜂窝胞壁的长度，h为竖直蜂窝胞壁的长度，θ为斜边蜂窝胞壁与水平方向的夹角，ν
s
为蜂窝芯层材料的泊松比，E
s
为蜂窝芯层材料的弹性模量，G
s
为蜂窝芯层材料的剪切模量，m
f
为蒙皮的质量，m
g
为胶的质量，V
f
为蒙皮的体积。
[0013]进一步地，对于正六边形蜂窝胞元，h＝l，θ＝30
°
，则有
[0014][0015][0016][0017]进一步地，所述单元设置中等效芯层为六边形实体单元，等效蒙皮为四边形壳单元。
[0018]进一步地，所述等效芯层与等效蒙皮之间的接触为绑定接触。
[0019]进一步地，还包括步骤(3)：将所构建的蜂窝夹层板有限元模型分析结果与实验结果进行对比。
[0020]进一步地，所述对比包括固有频率与振型的对比。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0022]本专利技术提出的蜂窝夹层板有限元建模方法适用于各种尺寸的蜂窝夹层板的等效建模仿真，根据蜂窝单元尺寸及材料参数可快速获得各项等效参数，只需在有限元软件中改变蜂窝芯层和蒙皮的尺寸以及材料属性即可建立不同的有限元模型。相比于现有技术，本专利技术考虑了胶粘层质量的影响及蜂窝壁的剪切变形，推导出蜂窝夹层板等效芯层的每个等效参数的数学表达式，通过分层的方式建立等效板有限元模型。数学表达式准确度高，建模方式简单高效，为蜂窝夹层板动态特性的高精度计算提供保障，为蜂窝夹层板芯层结构设计优化提供依据。
附图说明
[0023]图1为本专利技术蜂窝夹层板有限元建模方法流程图。
[0024]图2为蜂窝夹层板几何模型，其中1为蒙皮，2为胶粘层，3为芯层。
[0025]图3为蜂窝夹层板等效示意图，其中4为等效蒙皮，5为等效芯层。
[0026]图4为蜂窝夹层板芯层有限元模型示意图，其中6为集中质量点。
[0027]图5为蜂窝芯层六边形胞元示意图。
[0028]图6为横向应力作用下Y单元的受力分析图，其中(a)为横向应力作用示意图，(b)为Y单元整体受力图，(c)为AB胞壁受力图。
[0029]图7为纵向应力作用下Y单元的受力分析图，其中(a)为纵向应力作用示意图，(b)为Y单元整体受力图，(c)为AB胞壁受力图，(d)为BD胞壁受力图。
[0030]图8为芯层侧面受到剪力时Y单元的受力分析图，其中(a)为Y单元整体受力图，(b)为AB胞壁受力图，(c)为BD胞壁受力图。
[0031]图9芯层上下表面受到横向剪力时Y单元的受力分析图。
[0032]图10芯层上下表面受到纵向剪力时Y单元的受力分析图。
[0033]图11为蜂窝夹层板等效模型振型图，其中(a)为第一阶振型，(b)为第二阶振型，(c)为第三阶振型，(d)为第四阶振型。
具体实施方式
[0034]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。
[0035]本专利技术提出一种蜂窝夹层板有限元建模方法，该方法主要原理是将蜂窝夹层板芯层部分等效成一各向异性的均质板，将蒙皮层与胶粘层等效成一各向同性均质壳板，并以绑定连接的方式连接，其三维几何模型如图3所示。以蜂窝芯层中的Y单元为基本单元，考虑蜂窝壁的弯曲变形、拉伸变形及剪切变形，并依据力学分析及能量分析推导其等效弹性模量、剪切模量、泊松比。将预埋件质量以集中质量的方式耦合在芯层的上下表面上，如图4所示。将胶粘层质量赋予上下蒙皮，体现在蒙皮的密度上。依此构建蜂窝夹层板的有限元模型。
[0036]下面介绍各等效参数数学表达式的推导。当芯层受到横向的应力作用时，如图6所示，对Y单元及AB胞壁、BD胞壁做受力分析。由力与应力关系可得向应力作用下产生的横向力为：
[0037]P＝σ1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蜂窝夹层板有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将蜂窝夹层板芯层部分等效成一各向异性的均质板，将蒙皮层与胶粘层等效成一各向同性均质壳板，推导等效芯层的弹性参数和密度以及等效蒙皮的密度，构建蜂窝夹层等效板的三维几何模型；(2)分别设置蜂窝夹层等效板三维几何模型的材料属性和单元类型，考虑预埋件的质量，构建蜂窝夹层板有限元模型。2.根据权利要求1所述的一种蜂窝夹层板有限元建模方法，其特征在于，所述步骤(1)中等效芯层的弹性参数包括横向弹性模量、纵向弹性模量、垂向弹性模量、xy平面内剪切模量、xz平面内剪切模量、yz平面内剪切模量、xy平面内泊松比、xz平面内泊松比、yz平面内泊松比。3.根据权利要求2所述的一种蜂窝夹层板有限元建模方法，其特征在于，所述步骤(2)中蜂窝夹层板有限元模型在ABAQUS中建立，包含两处单元设置与一处约束设置，两处单元设置分别为等效芯层和等效蒙皮的单元划分，一处约束设置为等效芯层与等效蒙皮之间的接触，预埋件以集中质量的方式添加在等效芯层表面上。4.根据权利要求3所述的一种蜂窝夹层板有限元建模方法，其特征在于，所述等效芯层的横向弹性模量及纵向弹性模量分别为向弹性模量及纵向弹性模量分别为所述等效芯层的垂向弹性模量为所述等效芯层的xy平面内剪切模量为所述等效芯层的xz平面内及yz平面内剪切模量分别为所述等效芯层的xy平面内泊松比为所述等效芯层的xz平面内泊松比及yz平面内泊松比为μ
xz

【专利技术属性】
技术研发人员：张周锁，杨雨恒，史文博，李想，彭英超，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：