（固体力学专业论文）蜂窝夹芯板动态力学行为研究.pdf

吣y 18 0 8 8 2 1 u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g s t u d y o nd y n a m i c p r o p e r t i e so f h o n e y c o m b sa n d w i c hp a n e l s c a n d i d a t e ：h uj m p i n g s u p e r v i s o r ：p r o l z o ug u a n g p i n g a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承枣。人肛 作者( 签字) ：非每薛 日期：f o 年月， 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 酣在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 腑嚣辫孺斧嫦掷需要弱 日期： 乒o rd 年弓月f 厂日年月1 日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i 手葡芰 金属蜂窝夹芯板作为一种轻质的结构型材料，由于其性能优越而被广泛 应用于航空航天、船舶和汽车制造等众多领域。蜂窝夹芯板应用在飞机、卫 星等结构中主要承受面外荷载的作用，其面外力学性能( 特别是面外冲击荷 载作用下的动态力学性能) 研究具有实际工程的指导意义。 本文在现有理论和研究的基础上，以正六边形铝合金蜂窝夹芯板为研究 对象，对其在面外静荷载及冲击荷载作用下的力学性能进行了实验和数值模 拟研究；并利用电子剪切散斑干涉术对铝合金蜂窝夹芯板的缺陷及受拉伸载 荷后的损伤情况进行了无损检测分析，得到了有益的结果。 通过对铝合金蜂窝夹芯板进行单轴准静态压缩及动态冲击实验，得到了 其在准静态载荷及动态冲击载荷作用下的应力应变曲线。从其静动态压缩 应力应变曲线中可以看出，曲线是典型的三阶段形式，即弹性阶段，塑性阶 段，及压溃后的密实阶段。这与采用数值模拟软件模拟所得到的结果相一致， 同时从测试的结果中可以看出，该铝合金蜂窝夹芯板是应变率相关材料，且 其动态应力强度要比静态压缩应力强度高4 0 。利用体式显微镜对试验后的 冲击试件胞体图进行了观察，明示了材料缓冲吸能及破坏的微观机理。 蜂窝夹芯板在生产制造及其使用的过程中很容易产生各种缺陷，例如脱 粘剥离、蜂窝芯子被压皱、部分芯子裂开、节点分离等等。这些缺陷将会降 低结构的强度和刚度，从而缩短了蜂窝夹芯板的使用寿命，其无损检测技术 就显得格外有意义。本文采用电子剪切散斑干涉术对铝合金蜂窝夹芯板的缺 陷进行了无损检测。在实验过程中对试件施加热载荷，采用相移技术得到了 铝合金蜂窝夹芯板的缺陷及受拉伸载荷后的损伤缺陷清晰的干涉条纹图。通 过对该实验技术在铝合金蜂窝夹芯板无损检测上实验研究和检测结果分析可 以看出，该种实验技术在铝合金蜂窝夹芯板的无损检测上具有一定的优势。 关键词：蜂窝夹芯板；动态冲击；无损检测；数值模拟 一 澄 哈尔滨t 稗大学硕士学位论文 i ii - a bs t r a c t 触at y p eo fl i g h t w e i g h ts t r u c t u r a lm a t e r i a l ，m e t a lh o n e y c o m bs a n d w i c h s t r u c t u r eh a sb e e n w i d e l y u s e di n a e r o s p a c e ，s h i p b u i l d i n g , a u t o m o b i l e m a n u f a c t u r i n g , a n dm a n y o t h e rf i e l d sd u et oi t s s u p e r i o rp e r f o r m a n c e s c o n s i d e r i n gu s a g e so fh o n e y c o m bs a n d w i c hp a n e l si na i r c r a f t ，s a t e l l i t e sa n do t h e r s t r u c t u r e sw h e r et ob e a ro u t - p l a n el o a d s ，i ti ss i g i n f i c a n tt os t u d yt h eo u t - p l a n e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yd y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s u n d e rt h e o u t p l a n ei m p a c tl o a d s i nt h i sp a p e r , u n d e rt h ee x i s t i n gt h e o r i e sa n dr e s e a r c h e s ，t h ea l u m i n u ma l l o y h o n e y c o m bs a n d w i c hp a n e l sw i t hh e x a g o n a lc e l lw e r es e l e c t e da ss p e c i m e n s ，i t s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e su n d e ro u t - p l a n es t a t i cl o a d sa n di m p a c tl o a d sw e r es t u d i e d ； t h en o n - d e s t r u c t i v et e s t i n go ft h eh o n e y c o m bp a n e l sd e f e c ta n dt h ed a m n i f i c a t i o n o ft h es t r e t c h e dh o n e y c o m bp a n e lh a db e e np e r f o r m e dw i t ht h ee l e c t r o n i cs p e c k l e s h e a r i n gi n t e r f e r o m e t r y , a n dm a n y e f f e c t i v er e s u l t sw e r ea b t a i n e d s t r e s s s t r a i nc i l l v e so fa l u m i n u m a l l o yh o n e y c o m b s a n d w i c hu n d e r q u a s i - s t a t i cc o m p r e s s i o na n dd y n a m i ci m p a c t l o a d sw e r eo b t a i n e dt h r o u g h u n i a x i a lq u a s i - s t a t i cc o m p r e s s i o na n dd y n a m i ci m p a c te x p e r i m e n t s i ti ss h o w ni n t h es t a t i ca n dd y n a m i cc o m p r e s s i o ns t r e s s - s t r a i nr e s u l t s ，t h ec u r v eh a sa t y p i c a l t h r e es t a g e sf o r m t h e r ea l ee l a s t i cs t a g e ，p l a s t i cs t a g e ，a n dc l o s e g r a i n e ds t a g e a f t e rc r u s h i n g t h e s er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw e l lw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t s ，a tt h es a m et i m e ，i tc a l lb ec o n c l u d e df r o mt h et e s tr e s u l t st h a tt h i sk i n do f a l u m i n u ma l l o yh o n e y c o m bp a n e li sr a t ed e p e n d e n tm a t e r i a la n dd y n a m i cs t r e n g t h i s7 m p ah i g h e rt h a ns t a t i cc o m p r e s s i o ns t r e n g t h o b s e r v i n gt h es o m ep i c t u r e so f s p e c i m e n sa f t e ri m p a c t i n gw i t hs t e r e om i c r o s c o p i c ，i tc a nb es e e nt h a tt h i sk i n d o f m a t e r i a lh a st h ee x c e l l e n tp r o p e r t i e so fe n e r g ya b s o r p t i o n t h e r ea l es o m ed e f e c t ss u c ha sd e b o n d i n g ，c r u m p l e dc e l l u l a rw a l l s ，o rs p l i t e d 。一 f 1 i 哈尔滨丁秤大学硕+ 学位论文 n o d e sw h e nt h eh o n e y c o m bs a n d w i c hp a n e l sw e r ep r o d u c e d n ee x i s t e n c eo f t h e s ed e f e c t sw i l lr e d u c et h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，r e d u c eu s f u l lt i m e t h e r e f o r e ，t h en o n - d e s t r u c t i v ee x a m i n a t i o no ft h eh o n e y c o m bs a n d w i c hp a n e li s s i g n i f i c a n t w i t he l e c t r o n i cs p e c k l es h e a r i n gi n t e r f e r o m e t r y , t h ea l u m i n u ma l l o y h o n e y c o m bs a n d w i c hp a n e l sw e r ee x a m i n e di nt h i sp a p e r 砀et h e r m a ll o a da n d t h ep h a s e - s h i f t i n gt e c h n o l o g yw e r eu s e di nt h ep a p e r a n dt h es p e c k l ef r i n g e p a t t e r n so ft h ea l u m i n u ma l l o yh o n e y c o m bs a n d w i c hp a n e l sw i t hd e f e c t sa n dw i t h t e n s i l ed a m a g ew e r eo b t a i n e d t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r o n i cs p e c k l e s h e a r i n gp a t t e r ni n t e r f e r o m e t r ya n dt h er e s u l t so ft h et e s t si nt h i sp a p e r , e s s p ih a s a g r e a ta d v a n t a g ei nt h en o n - d e s t r u c t i v ee x a m i n a t i o no ft h eh o n e y c o m bp a n e l s k e yw o r d s ：h o n e y c o m bs a n d w i c hp a n e l ；d y n a m i ci m p a c t ；n o n d e s t r u c t i v e e x a m i n a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 舢 q 2 1 蜂窝夹芯板的制备8 2 1 1 蜂窝夹芯板的构造”8 2 1 2 金属蜂窝芯材的制备方法8 2 2 蜂窝夹芯板的物理特性9 2 3 蜂窝夹芯板的计算模型”1 0 2 4 本章小结1 2 第3 章铝合金蜂窝夹芯板面外压缩性能试验研究0 0 00000 00mogd ood00001 3 3 1 引言1 3 3 2 蜂窝夹芯板材料静态压缩试验1 3 3 2 1 试验材料的选取1 3 3 2 2 试验设备介绍一1 3 3 2 3 实验及结果分析一1 4 3 3 分离式霍普金森压杆实验装置及原理1 5 3 3 1 霍普金森试验装置1 6 3 3 2 基本方程1 7 远 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 4 铝合金蜂窝夹芯板的冲击试验2 0 3 4 1 试样及设备2 0 3 4 2 冲击试验及数据处理2 0 3 4 3 分析与讨论2 3 3 5 本章小结”2 4 第4 章铝合金蜂窝夹芯板的无损检测”2 6 4 1 引言2 6 4 2 电子剪切散斑干涉技术原理2 6 4 2 1 基本原理2 6 4 2 2 加载方法3 2 4 2 3 错位散斑干涉相移法3 4 4 3 铝合金蜂窝夹芯无损检测3 5 4 3 1 蜂窝夹芯板芯子与面层脱粘检测结果3 6 4 3 2 铝合金蜂窝夹芯板拉伸破坏后散斑检测结果3 8 4 4 本章小结4 0 第5 章铝合金蜂窝夹芯板面外力学性能数值模拟4 1 5 1 引言4 1 5 2 有限元方法和有限元分析软件a n s y s 简介”4 1 5 3 铝合金蜂窝夹芯板准静态面外压缩4 2 5 3 1s h e l l l 8 1 单元简介4 2 5 3 2 几何模型的建立4 3 5 3 3 面外压缩的数值模拟4 4 5 3 4 结果分析4 5 5 4 铝合金蜂窝夹芯板面外动态冲击数值模拟”4 6 5 4 1s h e l l l 6 3 单元简介一4 6 5 5 本章小结5 3 结论5 5 参考文献5 7 致谢6 3 采用泡沫塑料、波纹金属薄片、铝或不锈钢波片制成的蜂窝等。夹芯材料中 以铝合金蜂窝夹芯板应用较为广泛。蜂窝夹芯板最早在1 9 3 8 年应用到德国制 造的四引擎h a v i l l a n d a l b a t r o s s 飞机以及后来的蚊式轰炸机的机身部位【1 1 。 蜂窝夹芯板起源于仿生学，并从上世纪5 0 年代开始大量应用于航空航天 领域。蜂窝夹芯板的使用很好的满足了航空航天中对于结构质量限制的要求， 有效地增加了飞行器的载重重量，为航空航天技术的发展做出了巨大的贡献。 飞机的外壳、地板、尾翼等结构有很多都是采用蜂窝夹芯板，如美国的b 5 8 轰炸机应用蜂窝夹芯板的面积占整个飞机外形面积的8 5 以上，f o l l l 战斗机 采用蜂窝夹芯板的面积占整个飞机外形面积的9 0 以上，波音7 4 7 客机上的蜂 窝夹芯结构用量多大4 0 0 0 m 2 【2 1 。载人飞船上广泛采用了蜂窝夹芯板，如阿波罗 载人飞船的多个舱采用了多层蜂窝夹芯板。可重复使用运载器的热防护机构， 火箭和导弹的安定面、头部外壳、发动机尾喷管等结构部位，航天器的舱盖、 太阳电池壳体、整流罩等部位，卫星结构中承载部件也大量使用蜂窝夹芯板 【3 】。蜂窝夹芯板除了在航空航天飞行器结构中得到广泛应用外，还可应用于 其他行业，比如火车车体，船舶，汽车，建筑等领域【3 l 。 蜂窝夹芯板是由上下两层极薄的面板( 蒙皮) 和中间一个较厚蜂窝芯子 粘接而构成的一种复合结构板。铝合金蜂窝夹夹芯板通常采用高强度合金铝 板，作为面板与底板，中间用同材质的铝合金蜂窝芯复合制造而成。蜂窝夹 芯的形状有正方形、菱形、圆形、三角形、正六边形等，其中以正六边形应 用最常见。 1 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 在各种铝合金蜂窝夹芯结构板中，正六边形蜂窝制造简单、节省材料、 结构使用效率最高，应用最广泛。本文研究的蜂窝夹芯板就是正六边形芯子 的铝合金蜂窝夹芯板。由于铝合金蜂窝夹芯板的广泛应用，为了提高产品质 量，保证铝合金蜂窝夹芯板安全、可靠的使用，其力学性能的研究是十分必 要的。 1 2 蜂窝夹芯板的力学研究现状 由于蜂窝夹芯板在航空航天中的重要应用，蜂窝夹芯板的力学性能研究 成为国内外的热点问题。 1 2 1 蜂窝夹芯板的静力学研究 t i m o s h e n k o 对蜂窝芯面外压缩性能做了研究，分析了蜂窝的屈曲变形， 并进行了实验测试，但对蜂窝夹芯板的压缩破坏过程解释并不全面【4 1 。 1 9 6 9 年，a l l e n 分别单独考虑了上下蒙皮与夹芯的作用，对蒙皮采用“克 希霍夫假设”，对芯层采用“反平面假设 。认为上下面板极薄，忽略考虑其 抵抗横向剪切变形的能力，而只起到抗弯的作用，而夹芯层则忽略其面内刚 度和弯曲刚度，只起到抗剪的作用【5 】。 1 9 7 9 年，a i d 指出蜂窝芯在面内载荷作用下，等效杨氏模量和泊松比是 由于蜂窝壁弯曲变形引起的，同时他还分析了蜂窝壁屈曲行为和塑性变形特 性【6 1 。 1 9 8 8 年，g i b s o n 和a s h b y 提出胞元模型理论，把蜂窝壁简化成线弹性的 e u l e r - b e m o u l l i 梁模型，推导出正六角形蜂窝芯几何形状尺寸与等效弹性参数 的解析表达式，称为g i b s o n 公式m 。随后多人又对g i b s o n 公式做了相应的修 正。 1 9 9 1 年，王颖坚在g i b s o n 的基础上修正了面内剪切模量公式【引，发现 g i b s o n 公式的变形模式不满足平衡条件，是因为推导过程中没有考虑蜂窝壁 弯矩的作用。 1 9 9 2 年，j z h a n g 和m ea s h b y 研究了金属蜂窝材料的面外压缩性能， 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i 一i 一 在文献【9 】中给出商用蜂窝芯的临界压缩载荷的计算公式。 1 9 9 5 年，s i l v a 等人【1 0 】分析了形状不规则的蜂窝芯弹性参数和蜂窝芯不 规则程度之间的关系；t h o m p s o n 等人f 1 1 j 对蜂窝夹芯板在较大离心力和风载 荷共同作用下的应力分布进行了有限元分析。 1 9 9 7 年，s i l v a 和g i b s o n 1 2 1 分析了形状不规则的蜂窝芯以及壁面漏缺对 蜂窝夹芯结构压缩性能的影响。 1 9 9 8 年，t o r q u a t o 等人【1 3 1 比较分析了几种常见的规则正多边形及不规则 形状蜂窝芯的等效面内杨氏模量、剪切模量。 1 9 9 9 年，j e o m 等【1 4 l 通过实验研究了面外压缩时，铝蜂窝的压缩强度与变 形量的关系。富明慧和尹久仁在文献 1 5 l e e 指出g i b s o n 公式未考虑蜂窝壁的 伸缩变形对面内刚度的影响，导致蜂窝夹层结构数值分析时，芯层材料的弹 性矩阵表现出不确定性，g i b s o n 公式对进行了修正，同时提出了考虑蜂窝芯 层面内刚度的一种简化方案。 2 0 0 0 年，j e s h a f m a d e ha n dj c s e f c f i s 对蜂窝的压缩屈服应力进行了 实验和分析【1 6 】；k i m 和c h r i s t e n s e n 对比研究了不同形状夹芯的夹芯板力学特 性1 1 7 1 。 2 0 0 1 年，a n d r e w s 和g i b s o n 研究了蜂窝芯在面内拉力作用下，有孔洞、 非贯穿性裂纹、贯穿性凹槽几种情况下的变形模式【1 & 捌。o n c k 等人【冽研究了 蜂窝芯形状改变对面内杨氏模量、剪切模量的影响，对g i b s o n 公式进行了修 正。 2 0 0 2 年，a n d r e w s 和g i b s o n 2 1 】研究了带有贯穿性凹槽的蜂窝芯在剪切变 形下的变形特点，x u 和q i a o 2 2 1 分析了蜂窝夹芯板蒙皮对蜂窝板宏观整体力 学性能的影响。 2 0 0 4 年，k a r a g i o z o v a 和y u 对面内双向压缩变形下蜂窝芯层塑性变形模 式进行了研究【矧。同年，汪勇和汤剑飞【2 4 1 对蜂窝夹层板老化强度与疲劳性能 的进行了试验研究，指出蜂窝芯的几何结构对强度和疲劳寿命有一定影响。 2 0 0 5 年，g i b s o n 冽对蜂窝芯层各种力学性质进行了综述性研究，l i 等 3 哈尔滨下程大学硕十学位论文 人【2 6 j 利用有限元方法研究了不规则形状不等壁厚蜂窝芯体的静力学性能。同 年，王萍萍等人对蜂窝夹芯剪切等效模量研究，把蜂窝壁简化为板建立模型， 在文献 2 7 1 中计算给出了蜂窝芯等效剪切模量同蜂窝芯几何形状、尺寸的关 系。 2 0 0 6 年，李军、向志海等人对了含有开孔和在开孔处补强的蜂窝夹层板 的屈曲进行了有限元分析【矧。 2 0 0 7 年，f o o 等人对n o m e x 蜂窝的面内静力学性能进行了实验研究f 2 9 】。 同年，井玉安等人对真空钎焊普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩性能进行了实验 测试。分析了面外压缩变形特性以及结构参数对蜂窝夹芯板面外压缩强度的 影响1 3 0 1 。 1 2 2 蜂窝夹芯板的抗冲击动力学研究 蜂窝夹层板主要应用于航空航天等领域，这一领域里对蜂窝夹层板的抗 冲击性能有严格的要求，所以对于蜂窝夹层板的抗冲击动力学研究就显得尤 为重要。国内外学者在这一方面也做了大量研究工作。 在国外，b a k e r 等人【3 1 】于1 9 9 8 年研究了作为抗冲击材料的高密度金属蜂 窝芯的能量吸收特性。 1 9 9 9 年，h a r r i g a n 等人【3 2 】研究了几何参数对于蜂窝夹层板抗冲击性能的 影响。 2 0 0 0 年，s c a r p a 和t o m l i n s o n i 3 3 1 研究了具有负等效泊松比的蜂窝夹层板 动力学特性。同年，y a s u i 3 4 1 研究了横向冲击载荷下的多蜂窝芯层夹层板的损 伤特性。 2 0 0 1 年，b e s a n t 等人1 3 5 】对低速冲击载荷作用下蜂窝夹芯板的破坏方式进 行了研究。 2 0 0 3 年，h a z i z a n 和c a n t w e l l 3 6 1 研究了蜂窝夹芯板在面外低速载荷冲击 下的能量吸收特性。同年，r u a n 等人1 3 7 】采用有限元方法研究了蜂窝芯在面内 冲击载荷作用下的压溃模式。文章指出压溃模式是由冲击速度和蜂窝壁厚联 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 合决定的。 2 0 0 4 年，r u z z e n e 3 8 】研究了正六角形蜂窝芯和负泊松比蜂窝芯构成的蜂 窝夹层梁的动力学特性。 2 0 0 5 年，a n d e r s o n 【3 9 】研究了低速大质量冲击下不同蒙皮厚度、不同蜂窝 芯密度的蜂窝夹层板的能量吸收特性。同年，d e a r 等人【删对横向冲击载荷作 用下的蜂窝夹层板破坏过程进行了分析，并和实验结果进行比对。同年，c h e l a 和d a v a l o s 4 1 】在考虑蒙皮层的影响下研究了面内、面外载荷联合作用下的动 力学行为。 2 0 0 7 年，o t h m a n 和b a n o n 【4 2 】分析了蜂窝夹芯板在面外冲击载荷作用下 的破坏特点。 2 0 0 8 年，h o n g 等人研究了载荷成一定角度冲击蜂窝夹芯板时的破坏行 为，找n t 荷载冲击角度与破坏程度之间的关系1 4 3 1 。同年，z a r e i 和k r o g e r t 删 对不同填充物的蜂窝夹芯板在面内不同角度的冲击载荷作用下的破坏程度进 行了分析。 在国内，2 0 0 0 年，程小全等人对n o m e x 蜂窝夹芯板低速冲击后弯曲及 横向静压特性进行了实验研究【4 5 1 。2 0 0 5 年，浙江大学的卢文浩、鲍荣浩【删 运用理论分析和有限元数值分析两种方法，对六边形蜂窝材料单个胞体在弹 性状态下，面内动态冲击下的压缩变形情况进行研究，发现对于规则蜂窝材 料，其面内弹性性质将只取决于胞壁的厚度和边长的比率；同时还用有限元软 件a b a q u s 模拟了单个及多个胞体结构在一定速度冲击下的变形情况，对 这类结构的能量吸收能力进行了研究。2 0 0 7 年，张延昌等做了蜂窝式夹层板 耐撞性能研究，利用有限元仿真软件分析了蜂窝式夹层板结构在横向冲击载 荷作用下的损伤变形、碰撞力、能量吸收、耐撞性指标m 。同年，北京航空 航天大学徐小刚、黄海等采用光滑粒子流体动力学算法( s p h ) 对蜂窝夹芯板进 行超高速碰撞仿真研究【镐1 。 1 3 蜂窝夹芯板的无损检测研究现状 5 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 蜂窝夹芯板在生产制造和使用过程中很容易产生脱粘剥离、蜂窝被压皱、 部分芯子裂开、节点分离等缺陷。这些缺陷的存在将会降低结构的强度和刚 度，缩短使用寿命，并直接影响到飞行器的安全性能【4 9 1 。因此，蜂窝夹芯板 缺陷的无损检测显得尤为重要。 2 0 0 4 年，郭广平和刘永斌等人利用自行研制的激光错位散斑无损检测系 统，对多种蜂窝结构的人工缺陷样件进行了检测，从检测灵敏度、可靠性、 效率等方面对激光全息和错位散斑技术进行了比较，认为激光错位散斑是一 种非常有效的光学无损检测技术【矧。2 0 0 6 年，李艳红等人利用红外热波检测 技术对不同蒙皮的蜂窝夹层结构做了无损检测【5 l 】。2 0 0 9 年，栾旭等人利用电 子剪切散斑干涉技术对蜂窝夹芯板缺陷做了无损检测【5 2 1 。同年，李慧娟等人 在文献【5 3 】中介绍了铝蒙皮蜂窝夹层结构的各种无损检测方法，通过对比检 测的过程及结果说明不同方法对其进行检测的适用范围和局限性。 1 4 本文的研究工作 从铝蜂窝夹芯结构开始应用于航空、航天、船舶、汽车等行业以来，国 内外的学者就对整个蜂窝夹芯板的宏观结构、所夹芯子的细观结构进行了大 量力学性能研究。研究范围涵盖了蜂窝夹层结构的宏观和夹芯的细观结构理 论研究、试验研究、结构优化、数值模拟。 由于蜂窝夹芯板主要承受弯曲和冲击等载荷作用，因此其面外压缩性能 起着决定性作用。特别是铝蜂窝夹层结构广泛应用于航空航天工程时，要求 具有较好的抗冲击性能，其冲击动力学问题也是研究的热点。目前大家对蜂 窝夹芯板的共面性能做了许多研究，而对面外冲击受力性能研究还不是很多。 基于以上研究现状和现有理论，本文拟定对铝合金蜂窝夹芯板进行面外静态 压缩、冲击下的动力学行为、蜂窝材料的无损检测等几个方面进行研究。研 究内容如下： 1 将通过面外静态压缩试验，分析铝合金蜂窝夹芯板面外静态压缩变形 时的变形特征、应力应变情况。 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 利用霍普金森压杆( s h p b ) 实验装置对铝合金蜂窝夹芯板材料进行动 力冲击实验。通过对不同应变速率下压杆实验研究，得到蜂窝夹芯材料高应 变率下的应力应变曲线，建立蜂窝夹芯板在高应变速率下动态性能与冲击速 度的关系，高应变速率( 冲击) 下的变形和破坏形式，以掌握动态应力响应特 性，为其应用提供理论指导，并分析其形成的原因，以寻求提高蜂窝的抗冲 击性能的措施。 3 利用电子剪切散斑干涉术对铝合金蜂窝夹芯板进行无损检测。光学无 损检测方法，材料受载时内部缺陷通常会产生应变集中，电子剪切散斑技术 通过寻找反映应变集中的特征条纹来识别缺陷。可直接由相应特征条纹的尺 寸和位置确定缺陷的尺寸和位置。 4 数值模拟。利用最为通用有效的有限元软件a n s y s ，建立有限元分 析的几何和物理模型，根据实际的加载情况，进行仿真计算。对得到的模拟 结果进行分析，以期得到静态压缩时，不同荷载下的铝合金蜂窝夹芯板的力 学性能，以及不同加载速度下铝合金蜂窝夹芯板的动力学行为，为铝合金蜂 窝夹芯板的工程设计及各种冲击防护提供有效的数据。 研究将通过实验数据分析，及采用通用的有限元软件数值仿真计算方式 进行，以期为铝合金蜂窝夹芯板的工程应用和设计提供有效的数据和理论依 据。 1 j 。：| ，j jj?jt j： j ：删，j1 j 。：_ 。凌 图2 1 蜂窝夹芯板的构造 蜂窝夹芯板的特点主要取决于其芯层的结构形式。其中上、下蒙皮一般 具有较高的弹性模量和强度，中间芯子层由结构密度较低、面内强度较低的 材料或复合结构所构成的，它的主要作用是将上、下蒙皮隔开一定的距离， 这使得整个夹层结构具有较高比强度、比刚度。 2 1 2 金属蜂窝夹芯板的制备方法 目前，金属蜂窝夹芯板的制备【划方法有展开法、压力粘接成形法、压力 钎焊成形法。 1 、展开法 展开法由印刷机( 或手工) 将芯条胶涂在金属箔上形成胶条，相邻两层 涂有胶条的金属箔应使胶条错开，即上一层纸的胶条位置正好在下一层纸张 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 的相邻两胶条的中间。以这种方法相互粘接在一起的金属箔形成一块蜂窝芯 子板，待其中的胶粘剂充分固化，再将蜂窝芯子切成一条条具有所要求高度 的蜂窝芯子条，然后将蜂窝芯子拉伸展开，再将其浸滞定形胶固化后即成定 形蜂窝芯子。 2 、压力粘接成形法 压力粘接成形法首先在波形模具上，按手糊或模压成形工艺制成半六角 形的波纹板，然后用粘接剂粘成芯子。压力成形法制成的蜂窝芯子，其蜂格 尺寸正确，可制任何规格的蜂窝芯子。 3 、压力钎焊成形法 压力钎焊成形法是日本山口进吾等人最先于1 9 9 4 年研制出用钎焊方法 来制造蜂窝芯。其制造过程即将裁成一定宽度的板条按半正六角形的形状进 行波纹加工，以形成蜂窝。再用上下两块板将蜂窝芯夹紧，用夹具固定后， 采用激光点焊机在平行面上接触点焊而成。 2 2 蜂窝夹芯板的物理特性【5 5 】 ( 1 ) 重量轻，刚性大。蜂窝是一种多孔的不连续材料，材料结构实体部 分的截面积又很小，因此蜂窝的密度很小，常用的铝蜂窝重力密度为6 0 0n m ，而且夹层结构面板很薄，与实心相比要轻得多且刚性大，减重效果极为 明显，因此是一种高效结构材料。 ( 2 ) 强度高、减震性能好。蜂窝芯相当于工字梁的腹板，蜂窝板的面板 相当于工字梁的翼板，蜂窝夹芯结构相似于若干小工字梁。工字梁本身就具 有较好的力学结构特点。因此，蜂窝夹芯板蜂窝板具有很高的抗压强度，较 强的减震性能。 ( 3 ) 隔音、隔热性能好。蜂窝本身并不是具有隔音、隔热性能，但是加 面板制成的蜂窝夹芯板却具有良好的隔音、隔热性能。在常用的峰窝夹层板 的蜂窝芯中，9 7 的空间内是密封状态的空气，由于空气的隔音、隔热性能 优于任何固体材料，极大的程度地限制热量和声波的传播，所以蜂窝夹芯板 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 具有良好的隔音、隔热性能。 ( 4 ) 防潮、防腐。该材料不吸水，耐腐蚀，在潮湿环境中不会产生霉变 变形。 由于蜂窝夹芯板具有轻质、较高比强度、比刚度、减震、吸能等结构型 材料好的性能特点，其在航空航天制造行业及建筑、船舶、汽车等民用行业 得到了广泛应用。为了保证铝蜂窝夹芯结构能够安全、可靠的使用，其力学 性能的研究具有非常重要的意义。 2 3 蜂窝夹芯板的计算模型【5 5 - 5 8 1 1 、位移模型 一阶剪切理论，即法线在变形过程中仍然保持直线的线性理论，大致可 以分为以下几种模型： ( 1 ) r e i s s n e r 型理论。把面板看为薄膜，忽略其本身的抗弯刚度，认为它 只承受面外荷载的作用，而夹芯只起到抵抗剪切变形的作用，在z 方向，面 板芯子挠度基本保持一致。 ( 2 ) 克希霍夫型理论。把面板看成普通的薄板，而夹芯仍然可以认为承 受剪切作用。 ( 3 ) 波鲁沙克夫杜庆华理论。把面板看成经典薄板，夹芯除承受剪切 变形外，还存在夹芯的横向弹性变形作用。 ( 4 ) 高阶剪切理论。认为结构的断面跟厚度方向可以呈二次变化。 ( 5 ) 高阶剪切且计及法线长度的变化。 以上( 4 ) 、( 5 ) 这两种高阶理论，要求位移函数不仅c o 连续，而且c 连续。 2 、平衡模型 平面模型是一种基于应力假设的模型，应力的假设满足弹性力学中的平 衡方程，而且模型的内在机制决定了位移的连续及应变的协调，并且应力平 衡方程可以自行满足。这种模型是由r e i s s n e r 最先建立的。它假设面内的正 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 应力及夹层板侧向的剪应力沿厚度方向呈线性变化，即 叩蔺瓦 咿南秀 协1 ) 咿确砺 其中q 、吒、吼分别表示面内的正应力及层板侧向的剪切应力。m ，、 m ：、m 。表示对应的弯矩( 它们是面内坐标x 、y 的函数) ，z 是厚度方向的坐 标，h 是总的厚度。三维弹性力学平衡方向确定了法线方向的正应力( q 、仃，、 仃) 和剪切应力和。 3 、混合模型 混合模型同时假设位移和应力( 位移和应力处于同等重要的位置) 。一 般情况下有两种混合模型：基本变量和导出变量元素内部和元素的边界上 都分别独立插值；在元素内部变量被插值，变量在边界上的值是通过内部 插值函数在边界上取值后再插值一次而得到。第一种模型通常叫做杂交模型； 第二种模型仍称为混合模型。 基于位移假设的r e i s s n e r 模型，用起来比较简单，它只要求位移连续， 同时既适用于薄板，也适用于厚板，所以应用较普遍，在各种计算软件中占 有很大的比重，但是因为它假设面板为薄膜，只能承受面内载荷，所以对于 承受横向集中力作用的情况不适用，于是发展了h o f f 模型，克服了这一困难， 但是以上两种模型都忽略了夹芯沿厚度方向的变化，所以不适用计算局部稳 定性的问题，于是又发展了杜庆华理论。以上二种模型都假设剪应变沿厚度 方向为常值，这是不满足剪应力连续的条件的。对于具有多层夹芯层各层夹 芯刚度差别较大的夹层板是不适用的，同时也不适用对层间剪切应力精度要 求高的问题，因此又发展了夹层结构分析的高阶剪切理论。 基于位移假设的模型对于应力计算的精度普遍较低，因此又发展了基于 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 应力的平衡模型。这种模型对于结构内部的二维应力虽然计算精度比较高， 但在边界上的精度反而不如内部高，因此不适用分析边界效应的影响问题。 混合模型不仅对二维的夹层结构相当有效，也能够较好的满足边界条件，对 于层间脱胶、纤维断裂和夹杂等问题都非常有效。 2 4 本章小结 本章在参阅大量文献的基础上，介绍了蜂窝夹芯结构的构造特点、材料 制备，总结出，由于材质和结构特点决定了它的优良物理特性，这也正是其 被广泛应用的原因，因此需要对其力学特性进行研究，介绍了对蜂窝结构力 学计算的常用各种计算模型的特点和优缺点。 1 2 性能，特别是在冲击荷载作用下的动态力学行为研究具有实际工程的指导意 义。本章首先研究了铝合金蜂窝夹芯板在面外静态压缩情况下的力学性能， 分析其变形特征，得到其载荷位移关系，并通过平均应力应变曲线加以描 述；其次利用霍普金森压杆装置进行冲击试验，获得不同加载速率下，蜂窝 夹芯板的变形特征、动态的平均应力应变曲线等数据，从而获知铝合金蜂窝 夹芯板的冲击动力学特性。 3 2 铝合金蜂窝夹芯板材料静态压缩试验 3 2 1 试验材料的选取 试件采用的是铝合金蜂窝夹芯板，其芯子为正六边形蜂窝形状，采用电 火花线切割将材料加工成圆形压缩试件。试件的直径：3 0 m m ，厚度：3 6 6 m m ， 面板厚度和芯子壁厚：0 1 4 m m ，芯子边长：3 3 m m 。 3 2 2 试验设备介绍 单轴准静态压缩实验在i n s t r o n 4 5 0 5 电子万能试验机上进行。 i n s t r o n 4 5 0 5 电子万能试验机如图3 1 所示，它能通过先进的软件系统进行 试验设定、数据显示及处理，并通过先进的控制系统进行3 2 位全数字化控制 及高速数据采集，是精度、自动化程度高、功能强、结构紧凑、操作简单可 靠，具有先进软件支持的新型万能材料试验机。配备的载荷传感器从5 n 到 1 0 0 k n ，还有各种标距的电子引伸计，能对材料进行拉伸、压缩、剪切、剥 1 3 3 2 3 实验及结果分析 实验时，按位移加载，为满足准静态慢速加载条件，加载速率设定为 0 2 r a m r a i n ，采样时间间隔为o 2 s ，即每秒采样5 个点。实验进行到试件有较 大变形( 接近压实) 时停止，保存实验数据待处理。 实验加载的过程中，在开始阶段，压缩载荷与压缩位移按照线性的关系 增长，表现为曲线直线上升；当载荷达到1 3 9 1 k n 左右时，试件开始屈服， 表现为蜂窝芯体的褶皱屈曲，并随着压缩位移的增大，载荷下降，这是由于 此时主要依靠蜂窝壁的弯曲变形来承载；当压缩载荷下降到一定程度时，随 着压缩位移的继续增大，载荷又开始增大，这时，由于蜂窝壁的过分褶皱屈 曲以至于被压实，直到试件完全被压实。为了便于下文中的动态冲击实验作 对比，将实验测得的载荷位移曲线转换为平均应力应变曲线，如图3 2 所示。 图中曲线o a 段对应试件的弹性变形阶段，a b 对应蜂窝芯的褶皱屈曲阶段， b c 段者为试件的压溃压实阶段。不同于实体金属材料的压缩，蜂窝材料的 这种特征与其它多孔材料极其相似，如多孔泡沫铝材料等，表明这种结构型 1 4 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 材料具有较大的能量吸收率。 蜀 叟 、 r 目 毁 昏 平均应变 图3 2 铝合金蜂窝夹芯板静态压缩曲线 经过静态压缩试验可以知道，弹性阶段主要反映该蜂窝夹芯板结构的强 度特性，在此阶段，压应力很小，蜂窝夹芯板处于弹性变形范围内，试件受 压产生弹性变形；应力下降阶段主要反映了蜂窝结构屈服压垮的过程，在此 阶段，压力减小，夹芯层破坏，应力下降。当夹芯部分被压溃之后，整个蜂 窝板被挤压到一起，此时蜂窝板实际成为金属实体，随着应变的增大，应力