Shell91单元在复合材料蜂窝夹层结构分析中的应用
复合材料夹层结构蜂窝芯材的压塌分析
工艺与装备113复合材料夹层结构蜂窝芯材的压塌分析王凯(中国民用航空飞行学院洛阳分院，洛阳471001)摘要：本文分析了复合材料夹层结构蜂窝芯材常见的压塌损伤，介绍了固化过程中影响芯材压塌的原因、影响因素、芯材压塌的稳定性和芯材特性，给出了处理芯材压塌的常用程序和控制芯材压塌的常用方法，对于防 止复合材料夹层结构制造和维修过程中产生压塌缺陷具有较强的指导意义。
关键词：夹层结构芯材压塌复合材料引言复合材料夹层结构由面板、夹芯以及连接两者的某种手段（如胶粘剂或铜焊）组成。
夹层板的面案承受弯曲载荷（一块面板承压，另一块面板承拉）或在某些情况下承受面内剪切载荷，面板的主要性能为压缩、拉伸、剪切强度和模量，夹芯性能主要包括密度、压缩强度和模量、剪切强度和模量、拉伸强度。
夹层板有多种失效模式，每种失效模式都会限制夹层结构的承载能力。
夹层结构的失效可能由诸多因素引起面 板、芯材及胶层的强度发生变化，失效模式通常有面板失 效、芯材剪切失效、芯材压塌、芯材压溃、芯材拉伸失效、面板/芯材脱胶、对称面板皱曲、整体屈曲和剪切皱折等 形式。
由于在夹层结构的制造和修理固化过程中均可能发 生芯材压塌，而且除最轻微的压塌外，其他都是不可接受、不能修复的，因此分析夹层结构蜂窝芯材的压塌，具有较 强的理论和实际意义。
1蜂窝芯材压塌的理论分析芯材压塌一般是度量发生在固化时蜂窝芯材部位的变 形和位移。
理论上，将导致芯材压塌的发生归结为一系列 基本要素和摩擦。
部分导致芯材压塌的不可预测原因是摩 擦因数。
摩擦分为静态和动态摩擦，静摩擦比动摩擦要髙。
达到最大静摩擦前，基本不会发生位移。
一旦超过最大静 态摩擦，低一些的动摩擦导致快速的位移。
芯材的压塌一 般与倒角区域有关，在芯材平面，倒角区域一般在髙压容 器的压力下发生变形和移动，如图1、图2所示。
芯材的刚度一定程度上可以抵抗固化容器的作用力，一 般在厚度方向上比较好，但蜂窝倾向于在垂直芯胞方向的硬 度低一些。
复合材料蜂窝夹层结构的优化设计
复合材料蜂窝夹层结构的优化设计摘要本文主要探讨了复合材料蜂窝夹层结构的优化设计方法。
首先介绍了蜂窝夹层结构的优点和应用领域，接着分析了其存在的问题和挑战。
然后，针对这些问题，提出了一系列优化设计方法，包括材料选取、蜂窝结构设计和界面优化等方面。
最后，通过具体案例分析，验证了所提出的优化设计方法的有效性。
1. 引言复合材料蜂窝夹层结构是一种在航空航天、汽车、建筑等领域广泛应用的先进结构材料。
其由两层面板夹持着一个蜂窝状的中间层，形成轻质且高强度的结构。
蜂窝夹层结构具有优异的性能，如高比强度、高比刚度、吸能能力强等，在许多领域都有广泛的应用。
2. 优点和应用领域蜂窝夹层结构具有以下几个优点： 1. 轻质高强度：蜂窝夹层结构由轻质面板和中间的蜂窝状结构组成，使其具有较小的自重和较高的强度。
2. 吸能能力强：蜂窝夹层结构中的蜂窝层具有吸能能力，能够有效地吸收冲击能量，提高结构的抗冲击性能。
3. 隔热隔音：蜂窝夹层结构中的蜂窝层具有较好的隔热隔音性能，适用于一些需要绝热隔音的场合。
蜂窝夹层结构广泛应用于以下几个领域： - 航空航天领域：蜂窝夹层结构在飞机、航天器等领域中被广泛使用，能够提高载荷能力和提高飞行性能。
- 汽车领域：蜂窝夹层结构可以用于汽车车身、底盘等部件，提高汽车的强度和安全性能。
-建筑领域：蜂窝夹层结构可以用于建筑的外立面、屋顶等部件，具有较好的隔热隔音效果。
3. 问题和挑战尽管蜂窝夹层结构具有许多优点，但仍然存在一些问题和挑战： 1. 材料选取：蜂窝夹层结构的性能与所选用的材料密切相关，如何选择合适的材料成为优化设计的重要问题。
2. 蜂窝结构设计：蜂窝夹层结构的性能也与其内部的蜂窝结构密切相关，如何设计合理的蜂窝结构是优化设计的关键。
3. 界面优化：蜂窝夹层结构中各层面板和蜂窝层之间的界面连接也对其性能产生影响，需要进行界面优化。
4. 优化设计方法针对以上问题和挑战，可以采取以下优化设计方法来提升蜂窝夹层结构的性能：4.1 材料选取在进行蜂窝夹层结构的设计时，需要选择合适的材料。
地面雷达天线罩风荷载数值模拟分析
地面雷达天线罩风荷载数值模拟分析王丽君【摘要】主要基于ANSYS结构分析软件,对地面雷达天线罩进行有限元数值模拟分析.首先,利用AN-SYS Mechanical APDL语言对风载荷进行离散化处理,就风的基本特性进行了必要的描述和探讨.其次,分析了风载荷作用下地面雷达天线罩静力结构特性.最后,对比半径和截球比变化时基圆处支反力和倾覆力矩的不同.结果表明天线罩最大合位移发生在罩体迎风面顶端位置,最大应力发生在罩体根部位置,这些参数为罩体结构设计提供了参考数据.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2014(036)010【总页数】4页(P78-81)【关键词】地面雷达罩;风荷载;APDL;静力分析;数值模拟【作者】王丽君【作者单位】哈尔滨工程大学, 哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TU392天线罩的主要作用是，在不影响雷达天线发射或接收电磁波的条件下，保护下面的天线以及相关联的电子设备免受来自大风、暴雨、大雪的影响，所以天线罩要拥有有利的外形，减小电磁能量的失真，同时保证下面的天线性能稳定［1］。
这就要求在设计雷达罩时要充分考虑结构强度与雷达波透波率的平衡。
本文主要对风载下的天线罩进行数值模拟静力分析，并求出罩体基座处的合力和力矩，对雷达罩进行强度和稳定性分析。
1 理论基础根据风洞试验得到的球坐标下风载荷地面雷达罩罩体上的风压分布函数为:式中，P(θ，φ)为风载作用下风压分布函数，其中φ，θ分别为雷达罩的经向和纬向坐标;q=0.5pv2为风荷集度或者称为基本风压。
在稳定分析中，罩体在风压作用下的临界风压Pcr，一般可以应用经验公式来得到［2］式中，E和t分别为壳体的弹性模量和厚度。
对于夹层结构，E和t分别为壳体的等效弹性模量和厚度。
对于图示的A型复合材料夹芯结构，等效弹性模量和厚度可通过以下公式计算［3］:式中，Eφ为φ方向的等效弹性模量;Eθ为θ方向的等效弹性模量;Ef，φ和 Ef，θ为蒙皮φ，θ方向的弹性模量;Ec，φ和 Ec，θ为芯材φ，θ方向的弹性模量。
复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用
复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用摘要：蜂窝夹层结构复合材料的应用越来越广泛，特别是在一些特殊领域，尤其是在飞机制造中，蜂窝夹层结构复合材料已逐渐覆盖了飞机的整个机身结构，事实证明，蜂窝夹层结构对飞机的使用有着非常明显的帮助。
本文介绍了蜂窝夹层结构的典型蜂窝几何结构、面板、蜂窝芯材类型和性能，阐述了蜂窝夹层结构在国外、国内飞机上的应用，并结合蜂窝夹层结构应用的一些细节论述了相应的设计方法。
关键词：复合材料；蜂窝夹层结构；飞机飞机结构设计的基本原则是在满足强度要求的前提下，使结构尽可能轻，这一要求将不可避免地导致需使用稳定的薄蒙皮来承受拉伸、压缩载荷，以及剪切、扭转、弯曲载荷的耦合作用。
在传统的飞机结构设计中，采用纵向加强件、增稳桁条、翼肋、隔框等结构对蒙皮进行加固，不可避免地导致结构增重问题。
夹层结构是提高结构比刚度的有效结构形式之一，复合材料夹层结构具有重量轻、强度刚度好、耐热、吸声隔音、抗冲击、抗疲劳等特点，广泛应用于航空航天、汽车、通信、轨道车辆、造船、医疗器械、体育器材、土木工程等领域。
一、复合材料蜂窝夹层结构复合材料夹层结构由两个薄面板和中间夹芯层组成，芯层和面板一般用胶粘接在一起，或用熔焊或焊接成一个整体。
夹层结构的荷载传递方式与工字梁相似，上下面板主要承受由弯矩引起的面内拉压应力及面内剪应力，而芯材主要承受横向力产生的剪应力，上下面板间的距离增加了截面的惯性矩，提高了结构的抗弯刚度和材料的有效利用率与结构效率。
复合材料蜂窝夹层结构的强度与蜂窝几何形状及蜂窝芯材有关。
根据蜂窝的几何形状，蜂窝芯层分为标准六角形芯、矩形过膨胀芯、强化波纹芯、方格芯、特殊夹芯等。
其中增强正六边形的强度最高，其次是正六边形蜂窝，因其制作简单，材料消耗低，强度高，因而应用最广。
复合夹层结构的面板材料包括铝合金、钛合金、不锈钢、玻璃钢等复合材料，目前在航空结构中应用较多的是碳纤维单向带或织物增强复合材料。
芯材有金属或非金属蜂窝、泡沫塑料等。
基于ANSYS 建模的风力机叶片模态分析及稳定性分析
4 米截面处首先出现失稳； 3 载荷为 My（min）极限载荷的 1.25 倍时，在
4.5 米截面处首先出现失稳； 4 载荷为 My（max）极限载荷的 1.11 倍时，在
4.5 米截面处首先出现失稳； 5 在 My（max），My（min），Mx（max），Mx（min）
det([K] − λ[M ]) = 0
（2.5）
模态阶数 振型 自然频率 （无转动） 预应力频率
（转速 20rpm）
1 挥舞
2 摆振
3 挥舞
4 摆振
5 挥舞
0.987 1.766 3.164 6.258 6.642
1.089 1.814 3.274 6.310 6.742
其中， λ =ω2 ，上述行列式为 λ 的多项式，有根
为临界屈曲载荷 Pcr ，记
λi
=
Pcri P
则方程（3.6）可以表示为
det([Ka ] + λi ⎡⎣Kd ⎤⎦) = 0
（3.7） （3.8）
可见求解屈曲临界载荷 Pcri 转化为求解特征值问题
即式（3.8），所求屈曲临界载荷为
Pcr = min(λi )Pa
（3.9）
min(λi ) 为失稳临界特征值，又称为失稳屈曲因子，
为失稳临界载荷与设计载荷之比。
3.2 计算结果
表 2 极限载荷下最小屈曲因子及截面
Mx（min）
Mx（max）
屈曲 截面 屈曲 截面
My（min） 屈曲 截面
My（max） 屈曲 截面
因子
因子
因子
因子
1.01 4m 1.34 4m
ansys_复合材料分析
第五章复合材料5.1 复合材料的相关概念复合材料作为结构应用已有相当长的历史。
在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。
复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度(刚度与重量之比)。
在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。
ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。
利用这些单元就可以作任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。
对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。
5.2 建立复合材料模型与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。
由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。
本节主要探讨如下问题：选择合适的单元类型；定义材料层；确定失效准则；应遵循的建模和后处理规则。
5.2.1 选择合适的单元类型用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191 五种单元。
但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和SHELL46 单元。
具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。
所有的层单元允许失效准则计算。
1、SHELL99--线性层状结构壳单元SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。
该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。
对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用 SOLID46 来建立模型。
SHELL99 允许有多达 250 层的等厚材料层，或者 125 层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。
如果材料层大于 250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。
还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。
2、SHELL91--非线性层状结构壳单元SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。
蜂窝夹层结构复合材料的制备及应用
蜂窝夹层结构复合材料的制备及应用摘要：蜂窝夹层复合材料由两块高强度上下面板夹着一层蜂窝芯组成，其结构具有高比强度、高比刚度、优异的隔热、透波性能等，因此在航空航天、船舶等领域得到了广泛应用。
基于此，本文首先阐述了夹层结构复合材料的制备现状，亲分析了蜂窝夹层结构复合材料的应用。
关键词：蜂窝夹层结构；复合材料；制备；应用蜂窝夹层复合材料具有优异的性能，有利于减少固体废物的排放量和保护生态环境等，不仅具有良好的经济、社会效益，特别是在“低碳经济”理念环境下，其产业化应用前景及发展空间更为广阔。
一、夹层结构复合材料制备现状夹层复合材料通常由薄面板和厚芯子胶接而成，在夹层结构中，面板作为主要的承力部件与中间填充的芯子共同发挥作用。
当承受弯曲载荷时，面板主要承受拉伸或压缩载荷，芯子传递剪切力，因此在夹层结构设计中，面板需选择面内刚度及强度大的材料或结构，芯子需选择面外剪切强度及剪切刚度大的材料或结构。
1、面板材料的选择。
从材料的角度来看，面板的发展经历了从金属材料到非金属材料的演变过程；从结构上看，面板的发展经历了从单一结构(合金面板)到层合结构(层合面板)的过程，当前广泛应用的面板多为非金属层合面板。
在夹层结构中，面板是主要的承力部件。
与芯子材料相比，面板材料具有高密度、高模量、高强度等特点。
目前，在纤维增强复合材料中广泛应用的增强纤维有芳纶纤维、硼纤维、玻璃纤维、碳纤维等。
其中，芳纶纤维具有较高的拉伸强度、高弹性模量、低密度等性能，但芳纶复合材料的压缩强度低；虽然硼纤维具有优异的强度及模量，但由于其昂贵的价格，仅限于同碳纤维混杂使用，被碳纤维逐渐取代。
为了提高力学性能，应选用比强度及模量较高的碳纤维作为原材料，但由于其价格较高，在应用中需大量的原料，因此，低成本的玻璃纤维仍是最常用的增强材料，但其弹性模量较低。
在设计有刚度要求的产品时，可利用复合材料结构形式的局限性小、易成型的优点，通过改变截面尺寸，设计高刚度变截面的结构形式及布置，以弥补其低弹性模量的弱点。
复合材料蜂窝夹层结构和层压板结构雷击前后剪切承载能力研究
link appraisement王碧蓉 中国直升机设计研究所王碧蓉，硕士研究生，工程师，直升机结构强度。
图1 试验件典型尺寸示意图（左侧蜂窝夹层结构，右侧层压板结构）图2 有限元模型图3 蔡－胡（Tsai－Wu）失效准则下最小安全裕度（左－蜂窝夹层，右－层压板）图4 试验件支持及加载示意图图5 试验件破坏照片图6 蜂窝夹层结构试验件载荷－位移曲线（左：雷击前，右：雷击后）图7 层压板载荷－位移曲线（左：雷击前，右：雷击后）中国科技信息2020年第19期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Oct.2020◎航空航天表3 层压板结构试验件试验结果试验件图号编号状态破坏载荷（KN）破坏模式层压板1#雷击前75.5沿受力方向上部撕裂2#76.5沿受力方向上、下部撕裂3#76.2沿受力方向上部撕裂4#雷击后74.7沿受力方向上部出现撕裂5#76.46#74.8试验结果对比分析通过以上两类试验件的试验结果可知，蜂窝夹层结构试验件在剪切载荷作用下，均表现为蒙皮沿受力方向起皱，最终撕裂；层压板试验件在剪切载荷作用下，均表现为沿受力方向出现撕裂；试验件破坏模式合理。
蜂窝夹层结构和层压板结构的试验件剪切承载能力均符合雷击后弱于雷击前试验件的规律，对以上试验结果及计算结果进行统计，有下表所示结果。
表4 试验件剪切破坏载荷数据统计试验件计算破坏载荷（KN）试验平均破坏载荷（KN）雷击后抗剪强度剩余百分比雷击前雷击后蜂窝夹层结构111117.710286.66%层压板74.276.175.398.95%与雷击前试验件剪切试验破坏载荷对比，蜂窝夹层结构和层压板结构有限元计算剪切破坏载荷分别相差5.6%、2.4%。
对比雷击前、后试验件剪切试验破坏载荷，蜂窝夹层结构和层压板结构试验件雷击后的抗剪剩余强度百分比为分别为86.66%、98.95%。
结语通过对雷击前、后蜂窝夹层结构和层压板结构试验件进行剪切承载能力试验，并与有限元计算结果进行对比，得到以下结论：1、蜂窝夹层结构试验件在剪切载荷作用下，蒙皮沿受力方向失稳出现面板起皱，最终撕裂破坏；层压板结构试验件在剪切载荷作用下，沿受力方向出现撕裂破坏，最终丧失承载能力。
复合材料蜂窝夹层结构的总体稳定性研究
复合材料蜂窝夹层结构的总体稳定性研究摘要：蜂窝夹芯板是一种典型的复合材料结构，由两块高强度、高刚度的薄面板和低密度、低刚度、低强度的厚芯板组成。
由于其高比强度、比刚度和较好的隔热、隔振、抗冲击等优点，成为航空航天不可缺少的材料之一。
当前，在型号研制中，蜂窝夹层结构已成功地应用于飞机的翼面、舵面、地板、雷达罩及整流罩。
复合材料蜂窝夹层结构在压、剪载荷作用下的的主要失效模式可分为局部失效和总体失稳两大类，局部失效主要包括面板失效、蜂窝失效和界面失效等。
关键词：蜂窝夹层结构；总体稳定性；有限元；用两种有限元模型和工程方法分别对复合材料蜂窝夹层结构在压缩、剪切载荷作用下的总体稳定性进行了计算，根据各计算结果与试验结果进行了对比分析。
结果表明：对于承受压缩载荷的结构，采用工程计算法能够较好的预估结构的屈曲临界载荷，而对于承受剪切载荷的结构，采用三维有限元法能较好的计算结构的屈曲载荷。
一、试验1.试验件。
试验件分为压缩试验件和剪切试验件两类。
试验件单向带材料为CCF300/BA9916-II，织物的材料为CF3031-BA9916-II，蜂窝芯子的材料为NRH-2-48。
压缩试验件尺寸为720mm638mm，端部36mm进行灌胶处理并将蒙皮加厚作为夹持端，蜂窝芯子处面板铺层为[(±45°)/0/(±45°)]，在试验件两侧边10mm区域进行灌胶处理，蜂窝芯子的厚度为8mm。
剪切试验件为正方形，边长为850mm，蜂窝芯子处面板铺层为[(±45°)/0/(±45°)]，试验件的侧边处过渡为层压板结构并进行局部加厚作为试验件的夹持端。
2.试验过程。
对压缩试验件，试验时需设计压缩试验夹具以实现对试验件提供轴向压缩加载，设计时需要2套夹具，一套用来夹持试验件的端部，便于载荷的施加，同时也对试验件的端部提供支持，一套用来夹持试验件的侧边，对试验件的侧边提供支持。
民用飞机复合材料蜂窝夹层板耐火试验研究
校准和实际试验之间不关断燃烧器。确保热电偶在 火焰中的位置距试验样件前 1/4 英寸处。
③燃烧器需符合相关工业标准。 2.4 试验步骤
试验按照如下步骤进行。 （1）试验前试验件在温度 21~22 ℃和相对湿度 50％~55％环境下放置 25 h。 （2）检查试验件的外观，不允许存在裂纹和缺陷。 （3）位置调试：进行火焰校正时，铜管式热量计中 心位于燃烧筒出口面前端（100±10）mm 处（见图 3）， 且高于燃烧筒中心线（25±1）mm；热电偶耙（由 7 根 热电偶组成）位于离燃烧筒出口面（100±10）mm 处， 且热电偶末端高于燃烧筒中心线（25±1）mm，如图 4 所示。
（a）受火面
（b）背火面
图 5 1#和 3#试验件试验后照片
参考文献 ［1］周颂平.民用涡扇飞机短舱结构防火设计［J］.科技 传播，2013（12）：85，82. ［2］董稼轩.运输类飞机发动机/APU 整流罩和蒙皮着 火安全的适航符合性指导［J］.航空维修与工程，2015 （3）：87-89. ［3］李仁鹏.复合材料结构飞机发动机短舱防火设计 与试验验证［J］.广东科技，2016（2）：39-40.
2#试验件蜂窝芯一侧正对火焰，试验现象和试验 结果与 1#试验件和 3#试验件类似。
耐火试验过程中，3 个试验件无遍及整个试样的 连续燃烧或火焰态势显著增加，试验件能承受 5 min 火焰燃烧并不被烧穿；非受火侧未被点燃，试验过程 中的烟雾亦没有引起新的火源。火源移除后，材料残 余火焰在 1 min 内熄灭，材料没有发生自行复燃；火源 移除后，试验件无残余火焰和复燃现象。整个试验过 程中，试验件非火焰燃烧面没有发生燃烧；试验火焰 温度为（1 100±80）℃，热通量密度为 10.5 W/cm2，符 合要求。 3 结语
shell 单元厚度 复合材料word资料5页
6.1 复合材料结构分析基本过程6.1.1 概述复合材料是由两种或两种以上物理或化学性质不同的材料复合在一起而形成的一种多相固体材料，其主要优点是具有很高的比刚度(刚度与密度之比)。
复合材料作为结构材料应用已有很长的历史。
目前，复合材料的应用已非常普遍，其应用范围涉及航空、航天、军事、民用等诸多领域。
ANSYS程序提供了一种特殊的单元、层单元来模拟复合材料，利用这些单元就可以进行任意的复合材料结构分析。
复合材料结构分析也包括建模、加载求解及后处理3个基本步骤，其中加载求解及后处理基本同于一般的结构分析过程，建模部分具有其特殊性，下面主要对其建模部分进行详细讨论。
6.1.2 建立复合材料模型与一般的各向同性材料相比，复合材料的建模过程要相对复杂。
由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，所以在定义各层材料性能和方向时要特别注意。
在本节中，主要探讨以下4个问题。
1.选择适当的单元类型用于建立复合材料模型的单元有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLSH190、SOLID46、SOLID186和SOLID191 7种单元。
单元类型的选择主要根据具体的应用和所需计算的结果类型来确定。
(1)SHELL99单元SHELL99是一种8节点3D壳单元，每个节点有6个自由度。
该类单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求结构宽厚比大于10。
对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选择SOLID46单元建模。
SHELL99允许有多达250层的等厚度材料层，或者是125层的厚度在单元面内成双线性变化的不等厚度材料层。
如果材料层大于250，用户可通过输入自定义的材料矩阵来建立模型。
SHELL99单元可进行失效分析。
另外，该类型单元可以将单元节点偏置到结构的表层或底层。
(2)SHELL91单元SHELL91和SHELL99相类似，只是它允许的复合材料最多有100层，而且用户不能输入自定义的材料性能矩阵。
复合材料数字化制造技术在蜂窝夹层结构零件上的应用
复合材料数字化制造技术在蜂窝夹层结构零件上的应用摘要：蜂窝夹层结构复合材料在使用中具有良好的性能，它具有很好的强度，同时，抗冲击性很好，在使用中设计良好，因此得到了广泛的应用。
本文探讨了复合材料数字化制造技术在蜂窝夹层结构零件上的应用。
关键词：复合材料；数字化；蜂窝夹层复合材料制件的精准化趋势，对复合材料制件的制造提出了较高要求。
多样化复合材料结构在航空复合材料领域得到了广泛的应用。
复合材料的精准化制造非常重要，而数字化在复合材料制造过程中的应用对复合材料的精准化制造十分必要。
一、蜂窝夹层结构复合材料基本性能蜂窝夹层结构是复合材料的一种特殊类型，具有以下基本性能：①质量轻，比强度高，尤其是抗弯刚度高。
②有极高的表面平面度和高温稳定性，易成型且不易变形。
③优良的耐腐蚀性、绝缘性。
④具有良好的自熄性；放热值较低，能形成耐火层。
⑤优异的成型制造工艺性：能满足零部件形状复杂、稳定性要求高的要求。
⑥环境适应性：蜂窝夹层结构复合材料能长时间地适应温度、湿度不断变化的运用环境条件，而不发生承载能力下降、变形、开裂、腐朽、老化等现象。
⑦隔声减振性。
二、制定工艺方案蜂窝夹层结构件由两层或两层以上的蒙皮和蜂窝通过胶接技术胶接而成的结构件。
蒙皮包括碳纤维、玻璃钢、铝合金等材料，蜂窝主要有NOMEX纸蜂窝、铝蜂窝等，目前普遍采用碳纤维、芳纶纤维、玻璃钢蒙皮、NOMEX蜂窝夹层结构。
蜂窝夹层结构的制造工艺复杂，在铺叠过程中，不仅要铺叠蒙皮，而且要准确定位蜂窝的位置，而且在蒙皮铺叠过程中，包括子铺层的铺叠，每个子铺层的形状都不同，如何精确下料也是需解决的问题之一。
只有采用数字化生产才能解决零件的精度问题。
应用数控下料机进行精确下料，激光定位铺层系统进行铺层及蜂窝定位，既能提高零件质量，还节省了昂贵的原材料，省去了下料、定位样板，节省了工装成本，并大幅减少了工作时间，提高了劳动效率。
采用CATIA CPD软件完成复合材料零件的工艺数模设计，利用MEGSTIC软件完成排料优化及工艺数模信息与加工设备的接口输出，生成数控下料和激光投影程序，并将数据传输到数控下料机及激光定位铺层系统，以实现数字化生产。
Shell91单元在复合材料蜂窝夹层结构分析中的应用
5 李顺林 ,王兴业. 复合材料结构设计基础. 武汉工业大学出版社
第3期 2006 年 9 月
结构·设计
纤维复合材料 FIBER COMPOSITES
No13 4 0 Sep1 ,2006
Shell91 单元在复合材料蜂窝夹层结构分析中的应用
石建军1 ,吴东辉1 ,迟 波1 ,丁新静1 ,李 睿2
(11 哈尔滨玻璃钢研究院 ,哈尔滨 150036) (21 黑龙江省火电第一工程公司 ,哈尔滨 150090) 摘 要 论述了蜂窝夹层结构的三种简化计算理论模型 ,介绍了通用有限元计算软件 ANSYS 中 shell91 单元的 sandwich (夹芯) 功能 ,通过计算与试验位移值结果的对比 ,相对误差小于 5 % ,验证了该功能的工程实用性与易操作 性。 关键词 蜂窝夹层结构 ;有限元 ;位移值
Application of Shell91 Unit in Structure Analysis of Composite Honeycomb Sandwich Panels
SHI Jian - jun1 ,WU Dong - hui1 ,CHI Bo1 ,DING Xin - jing1 ,LI Rui2
3期
石建军等 :Shell91 单元在复合材料蜂窝夹层结构分析中的应用
4 1
支撑作用 ,因而在分析柔性夹芯复合板时误差较大。 2. 3 ⅡpycakoB - 杜庆华理论
该理论把表层薄板看作为普通薄板 ,而夹芯除 了承受剪切作用外 ,还存在横向的弹性变形作用 。
实际的夹芯结构元件中不仅有反对称型弯曲变 形或总体失稳波形 ,而且还会有对称型弯曲变形或局 部失稳形式 ,分析这种变形形式是 Reissner 和 Hoff 理 论无能为力的。ⅡpycakoB - 杜庆华理论在 Hoff 假设 的基础上 ,分别提出了各自关于考虑夹芯横向弹性变 形的夹芯复合板的理论 。夹芯横向弹性作用对于由 集中载荷和板的边界效应所引起的夹芯板表层局部 应力有特定的影响 。这是研究表层相对夹芯中面的 对称型局部失稳时所必须考虑的因素 。由于 Ⅱpyca2 koB - 杜庆华理论考虑了夹芯的抗剪切与弹性支撑作 用以及蒙皮的抗弯能力 ,是比较完善的理论 ,但由于 其在数学处理上的复杂性 ,难以在工程中应用。
蜂窝夹层结构复合材料
1.1.夹层结构一种复合构造的板、壳结构，它的两个表面由很薄的板材做成,中间夹以较轻的夹芯层。
前者称为表板,要求强度高；后者称为夹层，要求重量轻。
第二次世界大战时,为了充分利用木材资源,英国的“蚊式”轰炸机上就采用了全木质夹层结构。
一般夹层结构用于机翼、尾翼、机身、箭体、箭头、减速板、发动机短舱、隔音装置、防火隔板等。
与薄壁结构的薄蒙皮相比，夹层板的厚度大得多，抵抗失稳能力强，重量还可减小，而且表面光滑，气动外形良好。
但它的制造工艺复杂，工艺质量又不易检验，所以应用受到限制。
夹层结构表板的材料有铝合金、不锈钢、钛合金和各种复合材料。
夹层材料有轻质木材、泡沫塑料等，也可用金属材料或复合材料制成波纹板夹层或蜂窝型夹层（见蜂窝结构）。
夹层与表板一般用胶粘结在一起,也可用熔焊、焊接连接,形成整体。
在总体受力分析中，认为上、下两表板只承受表板面内的拉、压力和剪切力,不能承受弯矩和扭矩,而中间夹层只承受垂直于夹层中面的切力。
夹层结构与一般板壳结构受力分析的唯一差别在于挠度计算中除了考虑弯曲力矩产生的挠度外，还要考虑剪力的影响。
夹层结构的两表板之间距离较大，所以夹层结构的弯曲刚度比一般板壳结构大得多，失稳临界应力显著提高。
夹层结构自身不用铆钉,免除了钉孔引起的应力集中,提高了疲劳强度。
夹层结构与相邻结构的连接较为复杂，夹层本身的局部接触强度较弱,又需承受连接的集中力,因此必须妥善进行接头设计。
1.1.类型、特点及应用类型：按面层分类：玻璃钢、金属、绝缘纸、胶合板、塑料板等按芯层分类：泡沫夹层结构、波板夹层结构、蜂窝夹层结构等。
特点：轻质夹芯高强度面层泡沫夹层结构的夹芯材料是泡沫塑料其质量轻、刚度大、保温隔热性能好。
但是强度不高蜂窝夹层结构的夹芯材料是蜂窝材料(玻璃布蜂窝、纸蜂窝、棉布蜂窝等)特点：质量轻、强度大、刚度大应用：构件尺寸较大、强度要求较高的部件。
如图：波板夹层结构波板夹层结构的夹芯材料是波纹板(玻璃钢波纹板、纸基波纹板和棉布波纹板)。
ansys结构分析单元类型总结
Ansys 结构分析单元类型an sys结构分析单元类型决定单元的自由度设置，如：(1)结构单元有 6 个自由度(2)单元形状：六面体，三角形等(3)维数：二维、三维(4)位移形函数：线形、二次函数。
本文按单元的特点将结构分析单元分为：线单元、管单元、实体单元、壳单元、接触单元、特殊单元六大类。
2．1 线单元线单元主要有：杆单元、梁单元。
2．1．1 杆单元杆单元主要用于桁架和网格计算。
属于只受拉、压力的线单元。
主要用于模拟弹簧，螺杆，预应力螺杆，薄膜桁架等模型。
其主要的类型有：(1) LINK1 是个二维杆单元，可刚作桁架、连杆或弹簧；(2) LINK8 是个三维杆单元，可用作桁架、缆索、连杆、弹簧等模型；(3) LINK10 是个三维仅受拉伸或压缩杆单元，可用于将整个钢缆作为一个单元来模拟的钢缆静力。
2．1．2 梁单元梁单元主要用于框架结构计算。
属于既受拉、压力，又有弯曲应力的线单元。
主要用于模拟螺栓，薄壁管件， C 型截面构件，角钢或细长薄膜构件。
其主要的类型有：(1) BEAM3 是个二维弹性粱单元，可用于轴向拉伸、压缩和弯曲单元；(2) BEAM4 是个三维弹性梁单元，可用于轴向拉伸、压缩、扭转和弯曲单元；(3) BEAM54 是个二维弹性渐变不对称梁单元，可用于分析拉伸、压缩和弯曲功能的单轴向单元；(4) BEAM44 是个三维渐变不对称梁单元，可用于分析拉伸、压缩、扭转和弯曲功能的单轴单元；(5) BEAMl88 是个三维线性有限应变梁单元，可用于分析从细长到中等粗短的梁结构；(6) BEAMl89 是个三维二次有限应变梁单元，可刚于分析从细长到中等粗短的梁结构。
2．2管单元(1) PIPE16是三维弹性直管单元，可用于分析拉压、扭转和弯曲的单轴向单元。
(2) PIPE17是三维弹性T形管单元，可用于分析拉压、扭转和弯曲T形管单轴单元。
(3) PIPEl8 是弹性弯管单元(肘管)，可用于分析拉伸、压缩、扭转和弯曲性能的环形单轴单元。
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5 李顺林 ,王兴业. 复合材料结构设计基础. 武汉工业大学出版社
图 2 shell91 单元变形图
图 3 shell91 共节点示意图
shell91 单元还有一个特点就是可以对同一个节
4 2
纤 维 复 合 材 料
2006 年
点定义两种材料属性。对夹芯结构来说 ,蒙皮和夹芯 粘接处为两种材料属性 ,却具有相同的节点 ,所以这 个功能对夹芯结构非常有用 ,如图 3 所示。这种功能 的属性可以通过单元参数 KEYOPT(11) 来定义。 为了使计算结果合理准确 ,ANSYS 在人们选定 sand2 wich 功能时附加了一些限定条件 :
误差率 ( %)
0. 140
0. 7
0. 139
0. 0
0. 139
0. 146
4. 7
0பைடு நூலகம் 142
2. 1
图 5 计算结果位移图
图 4 有限元模型
按上述几何尺寸建立模型 ,划分单元并在设定 单元属性时打开夹层结构控制参数 ,两端简支 ,在中 间对称线上施加载荷 300N (见图 4) 。面板材料参数 为 :Ex = 180GPa 、Ey = Ez = 16. 8GPa 、Gxy = Gxz = Gyz = 7. 2GPa 、PRXY = PRYZ = PRXZ = 0. 3 。蜂窝夹层的 材料参数按文献[ 4 ]中正六边形铝蜂窝弹性常数折 算方法计算 :
近几年来 ,夹芯复合板理论没有多少新进展 ,现 有的一些研究大多数在以上几种理论基础上对近年 来出现的复合材料夹层板的新特点的应用 ,还不太 成熟 ,有许多问题有待解决 。
3 ANSYS 夹层结构单元
随着数值计算的不断发展 ,通用有限元计算软 件在工程上的应用越来越广泛 ,但对蜂窝夹层结构 的有限元模拟分析受理论发展的影响没有进一步的 发展 ,象 Nastran 等著名的大型通用软件对这类的问 题的处理方法大多是采用三维实体元来模拟夹层结 构 ,其缺点是计算量大 ,特别是在对复杂结构进行分 析时 。ANSYS 做为通用有限元分析软件 ,其单元库 中所包含的单元类型越来越多 ,在微机版中已经包 含了夹芯复合板单元类型 ,即 shell91 单元 。其依据 的理论是上面所提到的 Hoff 理论 ,同时 shell91 单元 可以考虑材料的各向异性 ,已经突破了该理论的材 料各向同性限制 。 ANSYS 单元库中 ,只有 shell91 单元具有模拟夹 芯结构的功能 。shell91 为八节点单元 ,共有六个自 由度 :X、Y、Z 方向的位移和绕 X、Y、Z 轴的转动 ,如 图 1 所示 。通过对其八个节点 、各层的厚度 、各层的 铺设方向以及正交各向异性材料属性等进行定义确 定单元的几何形状和属性 。这种单元必须保留中间 节点 ,以保持应力的连续性 。 shell91 模拟的夹芯复合板要求具有较薄的表层 (蒙皮) 和较柔的夹芯 ,并假设 :夹芯承受所有的横向 剪力 ,而表层却不承受剪力 ,相反 ,表层承受所有的 弯曲力矩 ,夹芯几乎不承受夹芯复合板的弯矩 。在 计算中面板剪切模量 ( Gyz 、Gxz) 、剪应力和剪应变都
Application of Shell91 Unit in Structure Analysis of Composite Honeycomb Sandwich Panels
SHI Jian - jun1 ,WU Dong - hui1 ,CHI Bo1 ,DING Xin - jing1 ,LI Rui2
为了验证 shell91 单元的计算结果能否满足工 程应用的需要 ,先按试件尺寸建立有限元模型并计 算其位移值 ,然后与试验结果对比 。试件为 300 × 150 铝蜂窝板 ,蒙皮为 0. 7mm 厚的 M40 碳纤维Π环氧 复合材料 ,蜂窝规格为 0. 04 ×4 ,蜂窝厚 24mm。
υc
=
1 3
1 前 言
复合材料蜂窝夹层结构由上下对称的复合材料 面板 、厚而轻的芯子组成 ,具有重量轻 、强度高 、刚度 大的特点 ,已经成为航空航天结构件的主要材料之 一 。这种结构不用大面积铆接 ,可以减少应力集中 , 从而使疲劳强度有较大的提高 。
按平面投影形状 ,蜂窝芯可以分为正六边形、梯 形、矩形、圆形等。梯形和矩形夹层结构的方向性强 , 宜用作高强度平板 ,不宜用于弯曲形状的制品 ;圆形 夹层结构芯材耗量少 ,强度比高 ,平板受力无方向性 ; 正六边形蜂窝用料省、制造简单、结构效率最高 ,因而 应用最广。由于蜂窝夹芯结构复杂 ,各部分都不是连 续体 ,该类复合材料结构一直是人们研究的课题。
但 Reissner 理论对一些力学因素做了简化 ,因 而存在一些不能解决的问题 ,如在集中载荷作用下 板的弯曲问题 、板弯曲时固支边附近的表层局部应 力问题等 ,而且用来解决刚硬蒙皮的夹芯复合板时 , 误差较大 。 2. 2 Hoff 理论
该理论把表层薄板看作为普通的薄板 ,即考虑其 本身的抗弯刚度 ,而夹芯仍认为只承受剪切作用。从 而克服了 Reissner 夹层板理论的局限性 ,在解决刚硬 蒙皮的夹芯复合板时 ,比 Reissner 理论更合理 ,应用 范围更为广泛 。但这两种理论都未考虑夹芯的弹性
3期
石建军等 :Shell91 单元在复合材料蜂窝夹层结构分析中的应用
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支撑作用 ,因而在分析柔性夹芯复合板时误差较大。 2. 3 ⅡpycakoB - 杜庆华理论
该理论把表层薄板看作为普通薄板 ,而夹芯除 了承受剪切作用外 ,还存在横向的弹性变形作用 。
实际的夹芯结构元件中不仅有反对称型弯曲变 形或总体失稳波形 ,而且还会有对称型弯曲变形或局 部失稳形式 ,分析这种变形形式是 Reissner 和 Hoff 理 论无能为力的。ⅡpycakoB - 杜庆华理论在 Hoff 假设 的基础上 ,分别提出了各自关于考虑夹芯横向弹性变 形的夹芯复合板的理论 。夹芯横向弹性作用对于由 集中载荷和板的边界效应所引起的夹芯板表层局部 应力有特定的影响 。这是研究表层相对夹芯中面的 对称型局部失稳时所必须考虑的因素 。由于 Ⅱpyca2 koB - 杜庆华理论考虑了夹芯的抗剪切与弹性支撑作 用以及蒙皮的抗弯能力 ,是比较完善的理论 ,但由于 其在数学处理上的复杂性 ,难以在工程中应用。
式中 : E、G、υ为夹层材料工程常数 ;γ 为修正系数 ,
取决于工艺 ,一般取 0. 4～0. 6 ,理论值取 1 ,本算例
中取 0. 5 。
计算结果见图 5 ,与实验结果对比见表 1 。从表
中数据可以看出计算结果与试验结果接近 ,相对误
差小于 5 %。
表 1 结果比较
试验结果 (mm)
计算结果 (mm)
第3期 2006 年 9 月
结构·设计
纤维复合材料 FIBER COMPOSITES
No13 4 0 Sep1 ,2006
Shell91 单元在复合材料蜂窝夹层结构分析中的应用
石建军1 ,吴东辉1 ,迟 波1 ,丁新静1 ,李 睿2
(11 哈尔滨玻璃钢研究院 ,哈尔滨 150036) (21 黑龙江省火电第一工程公司 ,哈尔滨 150090) 摘 要 论述了蜂窝夹层结构的三种简化计算理论模型 ,介绍了通用有限元计算软件 ANSYS 中 shell91 单元的 sandwich (夹芯) 功能 ,通过计算与试验位移值结果的对比 ,相对误差小于 5 % ,验证了该功能的工程实用性与易操作 性。 关键词 蜂窝夹层结构 ;有限元 ;位移值
(1) 夹芯与整个夹芯复合板的厚度比最好 ≥5Π 6 ,但必须 ≥5Π7 ;
(2) 蒙皮与夹芯弹性模量的比值最好在 100～10 000 范围内 ,但必须在 4～1000000 范围内 ;
(3) 夹芯复合板在弯曲载荷作用下的曲率半径 与夹芯复合板厚度的比值最好 ≥10 ,但必须 ≥8 。
4 算例及结果分析
参 考 文 献
1 梁森 ,陈花玲 ,梁天锡. 圆柱形胞元蜂窝夹芯板梁理论的研究. 复 合材料学报 ,2005 ,22 (2) ,137～142
2 王飞 ,李剑荣 ,虞吉林. 铝蜂窝结构单向压缩 、失稳和破坏机制研 究. 力学学报 ,2001 ,33 (6) ,741～748
3 程军 ,曾伟明 ,方如华等. 金属蜂窝夹芯板等效弹性模量的实验测 试. 实验力学 ,2003 ,18 (1) ,50～55
2 复合材料蜂窝夹层结构理论
对于复合材料蜂窝夹层结构 ,经过数十年的理 论研究 ,已经提出了不少计算模型 。在工程计算上 往往把由各向同性材料构成的夹芯复合板作为面内 各向同性结构进行研究 。对这种结构的线性理论而
言 ,目前主要的理论大致可以概括为几种类型 。 2. 1 Reissner 理论
Reissner 夹芯复合板理论是把表层薄板看成一 块薄膜 ,即认为只承受平面力 ,忽略其本身的抗弯能 力 ,认为夹芯只起抗剪作用 。由于其数学方程较为 简单 ,并且能解决相应的问题 ,通过大量工作实践 , 证实了对于多数工程中涉及的复合板问题能够获得 足够的精度 。因而 ,这种理论被广泛采用 ,是工程中 夹芯复合板分析与设计中最常用的理论 。
为零 。在模拟夹层结构时 ,使参数 KEYOPT (9) = 1 以此声明该结构为夹层结构 ,同时使 KEYOPT(5) = 1 以获得中间层最精确的结果 。
图 1 shell91 单元属性
图 2 为 shell91 单元夹层结构和非夹层结构的 变形效果图 ,从图中可以看出 ,shell91 单元带有夹芯 (sandwich) 属性和不带夹芯属性 ,在均布载荷作用下 悬臂的变形图有明显的区别 。这是由于带有夹芯选 项的 shell91 单元夹芯较柔 ,弹性模量低 ,对整个夹 芯复合板的约束能力小 ,其整体变形形状主要取决 于弹性模量很大的上下面板层 。但夹芯可以使面板 层充分发挥材料效能 ,起到类似工字梁的作用 。