某复合材料机身静强度计算
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摘 要：蜂窝材料作为蜂窝夹层结构的夹芯，由于其很高的比强度、比刚度等一系列传统材料不具备的优点，在航空、航天领域有着广泛的应用，成为航空、航天蒙皮的主要材料之一。以某型号纸蜂窝为分析对象，采用三明治夹心实体单元模拟蜂窝结构，机体结构常采用壳，单元应用MSC/NASTRAN软件对其进行数值模拟。
关键词：蜂窝结构;三明治理论;数值分析
中图分类号：V435+.13 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）17-0018-03
Abstract： Honeycomb material is the sandwich of honeycomb sandwich structure. Due to its high specific strength， specific stiffness and other advantages that a series of traditional materials do not have， honeycomb material has been widely used in the field of aviation and spaceflight. It has become one of the main materials of aerospace skin. Taking a certain type of paper honeycomb as the analysis object， the sandwich solid element is used to simulate the honeycomb structure， the shell is often used to simulate the honeycomb structure， and MSC/NASTRAN software is used to simulate the honeycomb structure.
Keywords： honeycomb structure; sandwich theory; numerical analysis
1 概述
蜂窩夹层结构一般由蒙皮材料与中间层的蜂窝芯体构成，蒙皮通常采用强度较高的薄板材料。许多飞机的机身和机翼均由蜂窝结构材料制成[1]。
夹芯是夹层结构的重要组成部分，合理的夹芯结构可以大大减轻夹层结构的重量。由于正六边形蜂窝用料省、制造简单、结构效率高以及强度高，已经在飞机上得到广泛应用。本文以正六边形蜂窝板为研究对象，采用MSC/NASTRAN大型通用软件对某飞机机身结构进行有限元计算，采用三明治夹心板理论对蜂窝结构进行等效处理。图2给出蜂窝胞元示意图。
2 三明治夹心板理论
三明治夹芯板理论是对蜂窝夹芯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且具有一定的面内刚度，上、下蒙皮层服从Kirchhoff假设，忽略其抵抗横向剪应力的能力。在以上假设条件下，蜂窝芯层可以被等效为一均质的厚度不变的正交异性层。对于正六边形蜂窝，等效弹性参数表示如下[2]：
其中E、G为夹芯材料的工程常数;l、t分别为蜂窝胞元壁板的长度和厚度;γ为修正系数，取决于工艺，一般取0.4～0.6，理论值取1.0。
3 数值分析
3.1 有限元模型描述
由于蒙皮很薄（0.6mm），有限元模型采用了壳单元（图3a）和体单元（图3b）混合方式，蜂窝按照三明治夹心板理论分为芯体和上、下蒙皮两部分，蒙皮采用壳单元，蜂窝芯体按体单元建立模型，其余结构则按壳单元建立模型，壳单元与蜂窝芯体体单元中心线连接（图3）。
约束方式为模型底部全约束，载荷的施加点为试验作动筒加载点，载荷点与试验件的连接采用多点约束RBE3（图4）。
3.2 材料参数
所有壳单元采用铝合金材料，弹性模量E=67.6GPa，泊松比μ=0.33。复合材料蒙皮为铝材，复合材料芯体为纸基，采用正交各向异性材料，材料参数为：
3.3 计算结果
由图5可以看出，总体变形为5.38mm，与实验测试位移5.23mm，相对误差为2.8%;由图6可以看出，最大等效应力为128MPa，出现位置为蜂窝板的上部。
表1给出了局部坐标系下蜂窝面的应力计算结果，局部坐标系主应力（X方向，厚度方向）的最大值出现在约束位置。
4 结论
以纸基正六边形蜂窝夹芯结构进行数值计算，验证了力学等效模型及其等效弹性常数的正确性，数值计算结果与实验测试结果相对误差在3%以内。为蜂窝夹芯结构和相类似工程结构的优化设计提供了重要的参考依据。
参考文献：
[1]中国航空研究院.复合材料结构稳定性指南[M].北京：航空工业出版社，2002.
[2]沈观林，胡更开.复合材料力学[M].北京：清华大学出版社，2007.
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