钎焊蜂窝铝板准静态平压与动态冲击力学性能数值模拟研究

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蜂窝铝板最早应用于航空航天领域中,其设计理念源于仿生学,由于其具有重量轻、强度高、刚性大、隔热隔声等一系列优点,又广泛应用于建筑、军工、能源、交通运输等领域。目前国内外常见的蜂窝铝板均为胶粘蜂窝板,其强度、使用寿命以及允许的工作环境在很大程度上受胶粘剂制约。用焊接法制造的蜂窝铝板,其接头为冶金结合,其力学性能明显高于其它同规格的胶粘产品。因此,研究和开发具备优良性能的焊接蜂窝铝板具有十分重要的意义。近年来国内外学者对蜂窝板的面内力学性能和面内等效参数研究较多,而对蜂窝板面外力学性能,尤其是蜂窝板在动态冲击载荷作用下的研究较少,为了拓展其应用领域,有必要对蜂窝铝板的抗冲击性能进行研究。本文以钎焊蜂窝铝板为研究对象,在试验基础上,借助计算机模拟仿真软件ANSYS,模拟了蜂窝铝板平压以及受钢球撞击的过程,在提高效率的同时,为进一步的理论研究、产品设计奠定基础。本文研究内容和结论主要包括:(1)对蜂窝铝板面外力学参数进行推导,介绍了焊接蜂窝铝板准静态平压与动态冲击试验,焊接蜂窝铝板平压过程中蜂窝芯变形主要经过四个阶段,分别为弹性变形、塑性变形、压溃变形、密实化阶段。焊接蜂窝铝板受钢球撞击后,上面板形成永久性塌陷凹坑,撞击区域下蜂窝芯层发生压溃变形,上面板与蜂窝芯层之间没有发生剥离和被穿透现象。(2)利用ANSYS有限元模拟软件研究蜂窝芯结构参数(蜂窝芯边长、蜂窝芯壁板厚度、蜂窝芯边长厚度比、蜂窝芯边长高度比)对钎焊蜂窝铝板平压性能的影响。发现增大(减小)蜂窝芯壁板厚度,减小(增大)蜂窝芯边长,蜂窝铝板抵抗平压能力升高(降低)。当蜂窝芯边长较小(较大)时,蜂窝芯壁板厚度对蜂窝板整体平压性能影响较小(较大),且尺寸参数tc/l相同时,蜂窝芯边长越大(越小),蜂窝板平压强度越高(越低)。当结构参数h/l不断增大时,蜂窝铝板平压强度呈现出先增加后减少的趋势。(3)利用ANSYS有限元模拟软件模拟了焊接蜂窝铝板受到钢球撞击的过程,分析研究了蜂窝铝板的变形、应力分布等信息,并研究不同冲击能量和蜂窝板结构参数(蜂窝芯密度、蜂窝芯高度、面板厚度)对冲击形变以及吸收能量的影响。获得结论为,钢球冲量越大,钢球与蜂窝铝板碰撞接触峰值力越高,接触时间越短。蜂窝铝板受冲击凹痕深度、损伤面积越大,且蜂窝铝板吸收能量与冲击动能比值越高。增加蜂窝芯层密度可以有效抵抗冲击形变,密度越大,碰撞接触时间越短,接触峰值力越高。密度增大(减小)使得蜂窝芯层吸能比例增加(减少),面板吸能比例减少(增加),对结构总吸能影响不大。蜂窝芯层高度对蜂窝铝板冲击形变、能量吸收影响较小,蜂窝芯层高度的确定主要是为了考虑结构布局以及与蜂窝芯边长有一定比值。面板厚度与冲击形变呈反比,面板厚度对蜂窝铝板能量吸收影响较小。
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