一种加强型蜂窝共面准静态力学行为

多孔材料如金属蜂窝等具有质量轻、压缩变形可控且吸能效果显著等特点,是一种典型的各向异性结构,被广泛应用于航空航天、轨道交通及建筑工程等领域中,是一种理想的吸能缓冲填充材料。

但因蜂窝自身结构在空间内并不完全对称,金属蜂窝在共面和异面方向的承载性能有着较大的差异。

蜂窝的异面压缩吸能能力远远优于共面压缩,目前国内外关于蜂窝异面承载特性的研究已日趋完善,研究成果也很多,异面压缩的蜂窝往往应用在外界载荷沿轴线方向施加的工况中,比如:列车防爬器,月球腿式着陆器等。

但是当外界施加载荷的方向偏离轴线(异面)方向时,异面蜂窝的吸能能力将会大幅下降,变形规律也变得更复杂。

而在高速公路等实际工况中,汽车的碰撞方向通常并不是完全沿着内部吸能结构的轴线方向,而是会从任意角度偏斜撞击过来,偏斜载荷的存在,往往使得在碰撞事故发生时,异面蜂窝类吸能装置并不能达到预期的效果。

而蜂窝在共面压缩时,无论从哪个角度碰撞,都可以起到一定的吸能缓冲作用,这种共面方向“各向同性”的吸能特性虽然可以很好地满足这种工况,但是由于其比吸能较低,并未取得广泛的应用。

目前国内外关于共面压缩蜂窝的吸能特性研究主要是集中在理论和仿真研究阶段,对其应用场景的探究也很少。

本文提出了一种新的多孔结构——
—加强型共面蜂窝,能够大大提升蜂窝沿共面方向压缩的吸能能力,并对该蜂窝的吸能特性进行重点研究。

1加强型共面蜂窝准静态压缩仿真
金属蜂窝结构由于其特
有的属性,当施加载荷的方
向不同时蜂窝的力学性能会
大不相同。

当金属蜂窝材料
受到如图1所示z轴方向压
缩载荷作用时,称之为异面
压缩,施加的载荷处于xy平
面内时称之为共面压缩。

研究表明,金属蜂窝的
异面压缩吸能能力远远优于共面压缩,因此在压缩载荷方向与轴线方向一致的场景通常应用沿异面压缩的金属蜂窝。

但是当施加载荷的方向偏离轴线方向时,蜂窝吸能能力将会迅速下降,而在车辆与可导向防撞垫碰撞等工况中,车辆碰撞方向通常并不是完全沿着内部吸能结构的轴线方向,而是会存在一定的偏碰、侧碰,偏斜载荷的存在,往往使得在碰撞事故发生时异面压缩的金属蜂窝并不能达到预期的效果。

而普通的共面蜂窝虽然适用于这类工况,但是其吸能效率相对而言较低,当满足一定强度设计要求后,其重量也会随之过高。

为了提高蜂窝共面压缩的吸能能力,本文在六边形金属蜂窝结构的基础上提出了一种新的多孔结构——
—加强型共面蜂窝,并对其吸能特性进行重点研究。

加强型蜂窝的原理是通过模具在普通蜂窝板表面冲压形成一排排凹槽,这些凹槽能够起到“加强筋”的作用,从而提高蜂窝强度。

1.1加强型共面蜂窝受压缩载荷有限元模型
使用有限元仿真软件建立的加强型共面金属蜂窝静态压缩模型如图2所示,蜂窝模型位于两刚性墙之间,底面刚性墙完全固定,用来模拟准静态压缩过程中液压机的工作面,蜂窝与底面刚性墙之间滑动摩擦系数设为
0.15。

刚性墙1以恒定的速度向
下移动,用来模拟准静态压缩
试验中的压力机压板。

为了防
止在压缩的过程中,各面接触
时发生穿透现象,因此设置模
型内部的接触为自动单面接
触。

为了模拟共面加强型蜂窝
压缩时的真实状态,在接触算
法中需要设置模型内部接触摩
擦系数为0.15。

1.2仿真用材料模型参数
共面加强型蜂窝压缩时的力学性能和基体材料的力学性能有着密切的关系,为确保仿真结果的准确性,有必要先测量一下基体材料的相关参数。

本研究采用的基体材料为Q235,按照《金
一种加强型蜂窝共面准静态力学行为
田应仲吴志鹏李龙(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)
A Kind of Reinforced Honeycomb Coplanar Quasi-static Mechanical Behavior
摘要:设计了一款加强型共面蜂窝,通过采用数值仿真分析的方法对该蜂窝的面内压缩行为进行了数值模拟。

并且通过模具制造了加强型共面蜂窝与普通蜂窝的试验件,通过准静态压缩试验对比了两种蜂窝的吸能特性,并且验证了仿真手段的可靠性。

仿真和实验结果表明,该类型加强型蜂窝吸能特性能比普通蜂窝共面方向压缩有很大提升。

关键词:加强型共面蜂窝;有限元仿真;准静态压缩;蜂窝吸能特性
Abstract押An enhanced coplanar honeycomb is designed and the in-plane compression behavior of the honeycomb is simulated by numerical simulation in this paper.In addition熏the test parts of strengthened coplanar honeycomb and ordinary honeycomb are made by means of molds.The energy absorption characteristics of the two kinds of honeycomb are com⁃pared by quasi-static compression test熏and the reliability of the simulation method is verified.The simulation and experimental results show that the enhanced honeycomb energy absorption characteristics can be greatly improved than the ordinary honeycomb coplanar compression.
Keywords押strengthened coplanar honeycomb熏finite element simulation熏quasi-static compression熏honeycomb energy absorp⁃tion
characteristics
图1金属蜂窝压缩方向
示意图
图2加强型共面蜂窝静态压缩
有限元模型
一种加强型蜂窝共面准静态力学行为
94
《工业控制计算机》2020年第33卷第7期
属材料室温拉伸实验国家标准》,对该批次的厚度的Q235材料进行拉伸实验如图3,测得的实验数据见表1,本次实验所测的数据即为仿真模型所输入基体材料数据。

表1蜂窝基体材料参数
图3基体材料拉伸试验
1.3准静态压缩仿真
接着对加强型共面蜂窝准静态压缩工况下的吸能特性进行了研究。

得到如图4所示的典型压缩力—位移曲线。

通过准静态压缩轴向力—位移曲线可以看出,加强型共面蜂窝轴向受到压缩后压缩力很快到达峰值,在进入稳定压缩段后略有波动,直到蜂窝被压实。

该过程可以归纳为蜂窝压缩变形的三个阶段:A-B 段弹性变形阶段、B-C 段稳态塑性变形阶段和C-D 段密实化阶段。

图4压缩力—位移曲线
根据加强型共面蜂窝的结构特点,得到影响蜂窝力学性能的主要参数:胞元壁厚、胞元边长、材料、凹槽个数等。

利用单一变量法逐一研究各个影响参数对加强型共面蜂窝吸能特性的影响,得到结论:加强型共面蜂窝压缩的平均应力、质量比吸能、体积比吸能随着共面加强蜂窝厚度的增加而增加,随着胞元边长的增加而减小,凹槽个数的增加能够显著提升共面蜂窝的吸能能力。

以胞元壁厚为2mm 的加强型共面蜂窝和普通蜂窝为例,其仿真对比结果如图5。

由图5可以清楚地看出,在同一参数
下,规格为40~80cm 边长的加强型共面蜂窝相对普通蜂窝平均应力提升了约1.9~2.0倍。

表2为不同胞元边长的加强型共面蜂窝和普通共面蜂窝的平均应力对比,可以清楚地看到加强型共面蜂窝平均强度是普通蜂窝的1.9~6.5倍,且蜂窝厚度越小,冲压凹槽对强度的提升效果越明显。

对比结果说明,所受面积相同的情况下,加强型共面蜂窝能够承受更大的压溃载荷。

2准静态压缩实验
2.1加强蜂窝与普通蜂窝实验件制备
加强型共面蜂窝所用的六边形钢制波纹片采用最大压力为50t 的三立油压机冲压,其冲压成型的实验件如图6所示。

试验件主要分为两组,一组为不同厚度的加强型共面蜂窝,另一组为不同厚度的普通六边形金属蜂窝块。

图6冲压成形的两种蜂窝
2.2准静态压缩实验结果
为了验证蜂窝准静态压缩仿真的准确性,我们在200t 的电液伺服多通道加载实验系统做了准静态压缩试验。

实验场景如图7所示。

图7准静态压缩试验
加强型共面蜂窝与普通六边形金属蜂窝通过准静态压缩实验得出的力学性能参数如表3所示。

表3可以得出加强型共面蜂窝与普通蜂窝的实验准静态压缩强度和仿真准静态压缩强度,误差范围在7%以内,验证了仿真的可靠性。

(下转第98页
)
图5普通蜂窝与加强蜂窝吸能能力
对比表2
加强型共面蜂窝与普通六边形蜂窝平均应力
对比
表3准静态压缩实验与仿真所测得的力学性能
参数
95
(上接第95页)
图8为某同一规格1mm 厚普通蜂窝和加强型共面蜂窝的准静态力———位移曲线。

通过该曲线可以看出在其他条件不变的情况下,加强型共面蜂窝比普通蜂窝平均压溃力提升1.5倍,且实验与仿真结果相差不大。

实验与仿真形态相似,力学性能曲线接近,说明了本文仿真研究手段的可靠性较高。

图8
蜂窝力学性能实验与仿真对比图
猿结束语
针对蜂窝在共面方向上吸能能力较弱导致应用场景较少的问题,本文提出了一种加强型共面蜂窝,通过在蜂窝板表面冲压不同形式的凹槽来充当“加强筋”,从而提升蜂窝的吸能能力。

本
文通过数值模拟仿真和准静态压缩试验,对比了冲压凹槽的加强型共面蜂窝与普通共面蜂窝的吸能能力。

仿真和实验结果说明:通过在蜂窝表面冲压凹槽能有效地提升蜂窝共面方向的吸能能力,加强型蜂窝比普通蜂窝吸能能力有1.9~6.5倍的提升,能够扩大应用场景。

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学,2017
[收稿日期:2020.4.29]
算可知PID 优化控制和模糊PID 控制超调量约为27.00%和24.89%,而MTN 优化控制超调量为12.22%,MTN 优化控制、PID 优化控制和模糊PID 控制的调节时间分别为0.69s 、1.005s 、0.934s ,MTN 优化控制调节时间最短,调节速度最快,超调量最小,并且在后续中无轻微震荡,在三种控制方法中多维泰勒网优化控制具有最好的控制效果。

图5直升机航向角追控制仿真结果对比图
图6为不同控制器下直升机高度z 控制对比图,通过计算可知PID 优化控制和模糊PID 控制超调量约为0.86%和0.18%,而MTN 优化控制超调量为0.18%,MTN 优化控制、PID 优化控制和模糊PID 控制的调节时间分别为7.049s 、7.08s 、7.08s ,MTN 优化控制调节时间最短,调节速度最快,超调最小,稳定性能最优,具有最好的控制效果。

本方案对提升直升机飞行性能有重要的应用价值,还可以将其应用到其它控制对象的过程控制中,应用前景光明。

参考文献
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[收稿日期:2020.4.25
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图6直升机高度中z 控制仿真
结果对比图
图4直升机滚转角φ控制仿真
结果对比图
直升机飞行的多维泰勒网优化控制
98。