基于ANSYS的双层蜂窝纸板有限元
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为降低建立模型 的 复 杂 程 度 和 简 化 计 算 过 程，因
此选择壳单元（Ｓｈｅｌｌ）来 建 立 模 型，即 用 二 维 单 元 替 代 三维单元 。 ［７］
图 １ ＡＮＳＹＳ １１．０ 中 建 立 的 蜂 窝 纸 芯 物 理 模 型
单元类型采用 Ｓｈｅｌｌ１８１型式。Ｓｈｅｌｌ１８１单元型式 是四节点板壳型式，每个节点上都由六 个 自 由 度，３ 个 为平动的自由度且方 向 沿 坐 标 轴，另 外 ３ 个 为 转 动 的 自由度且绕坐标轴转动。蜂窝纸板为黏弹塑性材料， 而 Ｓｈｅｌｌ１８１单元形式也刚好支持此种材料。 １．３ 材 料 几 何 参 数
表 １ 蜂 窝 芯 纸 的 材 料 参 数
Ｅｘ ＭＰａ
Ｅｙ ＭＰａ
Ｅｚ ＭＰａ
Ｇｘｙ ＭＰａ
Ｇｘｚ ＭＰａ
Ｇｙｚ ＭＰａ
ｕｘｙ
百度文库ｕｘｚ
ｕｙｚ
σｓ ＭＰａ
３ ６００ ２ ５００ ４０ １ ０００ ４０ ４０ ０．３０ ０．０１ ０．０１ ３．０
的单层蜂窝纸板大大增加。
图 ２ 划 分 网 格 后 的 模 型
在进行有限元分 析 时，定 义 材 料 属 性 为 输 入 分 析 时的材料本构关系，包 括 材 料 的 类 型 和 参 数。 有 限 元 ＡＮＳＹＳ 软 件 具 有 各 种 塑 性 材 料 的 模 型 选 择 功 能，通 过比较分析，适用于 蜂 窝 纸 板 结 构 的 塑 性 材 料 模 型 有 双 线 性 等 向 强 化 （ＢＩＳＯ）和 多 线 性 等 向 强 化 （ＭＩＳＯ）两 种。本文选 用 双 线 性 等 向 强 化 （ＢＩＳＯ）材 料 模 型，输 入的夹芯纸的参数有：弹 性 模 量 Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ，剪 切 模 量 Ｇｘｙ 、Ｇｘｚ 、Ｇｙｚ ，泊松比ｕｘｙ 、ｕｘｚ 、ｕｙｚ ，屈服极限σｓ。蜂窝芯 纸 的 材 料 参 数 见 表 １。 １．４ 网 格 的 划 分
摘要：为了设计出结构合理、性能良好、经济性好的蜂窝纸板，采用 ＡＮＳＹＳ有 限 元 分 析 软 件 建 立 双 层 蜂 窝 纸板模型，分析双层蜂窝纸板的静态特性，证明了双层纸板较单层蜂窝纸板抗压性能更好，给蜂窝纸板结构 的改良和性能的提高提供了参考。 关 键 词 ： 蜂 窝 纸 板 ； 静 态 特 性 ；ＡＮＳＹＳ 中 图 分 类 号 ：ＴＰ３９１．７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
ＡＮＳＹＳ １１．０软件 主 要 提 供 了 直 接 建 模、实 体 建 模、输入外部创建 模 型 等 几 种 模 型 建 立 方 法。 根 据 双 层蜂窝纸板结构的特 点，本 文 采 用 自 底 向 上 的 方 法 建 模 。 首 先 创 建 关 键 点 ，连 接 成 线 后 拉 伸 成 面 ，这 样 由 点 到 线 再 由 线 到 面 ，即 由 低 级 到 高 级 建 立 模 型 ，然 后 通 过 镜像复制等命令得到双层蜂窝芯的结构。由于蜂窝纸 板面纸厚度相对于蜂 窝 纸 板 的 厚 度 很 薄，因 此 可 以 对 双层蜂窝纸板受力模型进行简化来研究它的压缩力学 模型，即可以看成是薄膜，简化后在 ＡＮＳＹＳ 中建立的 蜂窝纸芯物理模型如图１所示。 １．２ 单 元 类 型 的 定 义
０ 引 言 蜂窝纸板是一种 新 型 的 可 再 生 绿 色 材 料，它 不 仅
使板材整体的力学性 能 得 到 了 改 善，而 且 还 使 板 材 的 刚度和稳定 性 得 到 了 提 高 。 ［１］ 蜂 窝 纸 板 具 有 强 度 高、 质 轻 、承 重 大 的 特 点 ，是 运 输 行 业 需 要 的 既 环 保 又 有 一 定缓冲能力的包装材 料，可 以 保 证 产 品 在 运 输 中 的 安 全 。 ［２，３］ 各包装研究所 和 企 业 之 所 以 把 蜂 窝 纸 板 的 研 究做为关注的焦点和 热 点，除 了 它 具 有 良 好 的 应 用 前 景外，还蕴藏着很 高 的 商 业 价 值。 王 梅 通 过 静 态 压 缩 实验对蜂窝纸板 的 缓 冲 性 能 进 行 了 研 究［４］，张 安 宁 等 对多层叠加蜂窝纸板的压缩特性进行了理论分析和不 同速率下的静态压缩实验 。 ［５］ 本 文 基 于 ＡＮＳＹＳ 建 立 双 层 蜂 窝 纸 板 的 有 限 元 模 型 ，进 行 应 力 应 变 分 析 ，并 通 过对分析结果的讨论，得出了一些有价值的结论 。 ［６］ １ 建 立 有 限 元 模 型 １．１ 实 体 模 型 的 建 立
第 ６ 期 （总 第 １７５ 期 ） ２０１２ 年 １２ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１２）０６－００６９－０２
Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．
基于 ＡＮＳＹＳ的双层蜂窝纸板有限元分析
高 山，王宝中
（河北联合大学 机械工程学院，河北 唐山 ０６３００９）
１．５ 载 荷 的 施 加 施加的位移载荷均匀分布于蜂窝芯的边缘。进行
有限元分析时，对２０ｍｍ 厚的双层交叉芯蜂窝纸板分 别施加３ｍｍ 和 ５ ｍｍ 的 位 移 载 荷，分 析 过 程 中 忽 略 了空气的影响。施加位移载荷后模型的变形情况如图 ３和图４所示。
由于双层的蜂窝 纸 板 的 模 型 相 当 规 则，采 用 四 边 形 单 元 对 模 型 进 行 网 格 划 分，控 制 单 元 的 尺 寸 为 ０．５ｍｍ，划分 网 格 后 共 有 １ ５１２ 个 节 点，１ ４４０ 个 单
收 稿 日 期 ：２０１２－０５－２１； 修 回 日 期 ：２０１２－０６－２８ 作者简介：高山 （１９８６－），男，河北唐山人，在读硕士研究生，主要从事机械制造及其自动化方面的研究。
· ７０ ·
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１２年第６期
元。在壳体结构有限元分析中之所以常优先考虑四边 形网格，是因为高质 量 的 四 边 形 网 格 相 对 于 自 由 度 相 同 的 三 角 形 网 格 而 言 ，有 更 好 的 边 界 网 格 形 态 ，能 够 获 取更精确的解 。 ［８］ 划分网格后的模型如图２所示。
此选择壳单元（Ｓｈｅｌｌ）来 建 立 模 型，即 用 二 维 单 元 替 代 三维单元 。 ［７］
图 １ ＡＮＳＹＳ １１．０ 中 建 立 的 蜂 窝 纸 芯 物 理 模 型
单元类型采用 Ｓｈｅｌｌ１８１型式。Ｓｈｅｌｌ１８１单元型式 是四节点板壳型式，每个节点上都由六 个 自 由 度，３ 个 为平动的自由度且方 向 沿 坐 标 轴，另 外 ３ 个 为 转 动 的 自由度且绕坐标轴转动。蜂窝纸板为黏弹塑性材料， 而 Ｓｈｅｌｌ１８１单元形式也刚好支持此种材料。 １．３ 材 料 几 何 参 数
表 １ 蜂 窝 芯 纸 的 材 料 参 数
Ｅｘ ＭＰａ
Ｅｙ ＭＰａ
Ｅｚ ＭＰａ
Ｇｘｙ ＭＰａ
Ｇｘｚ ＭＰａ
Ｇｙｚ ＭＰａ
ｕｘｙ
百度文库ｕｘｚ
ｕｙｚ
σｓ ＭＰａ
３ ６００ ２ ５００ ４０ １ ０００ ４０ ４０ ０．３０ ０．０１ ０．０１ ３．０
的单层蜂窝纸板大大增加。
图 ２ 划 分 网 格 后 的 模 型
在进行有限元分 析 时，定 义 材 料 属 性 为 输 入 分 析 时的材料本构关系，包 括 材 料 的 类 型 和 参 数。 有 限 元 ＡＮＳＹＳ 软 件 具 有 各 种 塑 性 材 料 的 模 型 选 择 功 能，通 过比较分析，适用于 蜂 窝 纸 板 结 构 的 塑 性 材 料 模 型 有 双 线 性 等 向 强 化 （ＢＩＳＯ）和 多 线 性 等 向 强 化 （ＭＩＳＯ）两 种。本文选 用 双 线 性 等 向 强 化 （ＢＩＳＯ）材 料 模 型，输 入的夹芯纸的参数有：弹 性 模 量 Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ，剪 切 模 量 Ｇｘｙ 、Ｇｘｚ 、Ｇｙｚ ，泊松比ｕｘｙ 、ｕｘｚ 、ｕｙｚ ，屈服极限σｓ。蜂窝芯 纸 的 材 料 参 数 见 表 １。 １．４ 网 格 的 划 分
摘要：为了设计出结构合理、性能良好、经济性好的蜂窝纸板，采用 ＡＮＳＹＳ有 限 元 分 析 软 件 建 立 双 层 蜂 窝 纸板模型，分析双层蜂窝纸板的静态特性，证明了双层纸板较单层蜂窝纸板抗压性能更好，给蜂窝纸板结构 的改良和性能的提高提供了参考。 关 键 词 ： 蜂 窝 纸 板 ； 静 态 特 性 ；ＡＮＳＹＳ 中 图 分 类 号 ：ＴＰ３９１．７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
ＡＮＳＹＳ １１．０软件 主 要 提 供 了 直 接 建 模、实 体 建 模、输入外部创建 模 型 等 几 种 模 型 建 立 方 法。 根 据 双 层蜂窝纸板结构的特 点，本 文 采 用 自 底 向 上 的 方 法 建 模 。 首 先 创 建 关 键 点 ，连 接 成 线 后 拉 伸 成 面 ，这 样 由 点 到 线 再 由 线 到 面 ，即 由 低 级 到 高 级 建 立 模 型 ，然 后 通 过 镜像复制等命令得到双层蜂窝芯的结构。由于蜂窝纸 板面纸厚度相对于蜂 窝 纸 板 的 厚 度 很 薄，因 此 可 以 对 双层蜂窝纸板受力模型进行简化来研究它的压缩力学 模型，即可以看成是薄膜，简化后在 ＡＮＳＹＳ 中建立的 蜂窝纸芯物理模型如图１所示。 １．２ 单 元 类 型 的 定 义
０ 引 言 蜂窝纸板是一种 新 型 的 可 再 生 绿 色 材 料，它 不 仅
使板材整体的力学性 能 得 到 了 改 善，而 且 还 使 板 材 的 刚度和稳定 性 得 到 了 提 高 。 ［１］ 蜂 窝 纸 板 具 有 强 度 高、 质 轻 、承 重 大 的 特 点 ，是 运 输 行 业 需 要 的 既 环 保 又 有 一 定缓冲能力的包装材 料，可 以 保 证 产 品 在 运 输 中 的 安 全 。 ［２，３］ 各包装研究所 和 企 业 之 所 以 把 蜂 窝 纸 板 的 研 究做为关注的焦点和 热 点，除 了 它 具 有 良 好 的 应 用 前 景外，还蕴藏着很 高 的 商 业 价 值。 王 梅 通 过 静 态 压 缩 实验对蜂窝纸板 的 缓 冲 性 能 进 行 了 研 究［４］，张 安 宁 等 对多层叠加蜂窝纸板的压缩特性进行了理论分析和不 同速率下的静态压缩实验 。 ［５］ 本 文 基 于 ＡＮＳＹＳ 建 立 双 层 蜂 窝 纸 板 的 有 限 元 模 型 ，进 行 应 力 应 变 分 析 ，并 通 过对分析结果的讨论，得出了一些有价值的结论 。 ［６］ １ 建 立 有 限 元 模 型 １．１ 实 体 模 型 的 建 立
第 ６ 期 （总 第 １７５ 期 ） ２０１２ 年 １２ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１２）０６－００６９－０２
Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．
基于 ＡＮＳＹＳ的双层蜂窝纸板有限元分析
高 山，王宝中
（河北联合大学 机械工程学院，河北 唐山 ０６３００９）
１．５ 载 荷 的 施 加 施加的位移载荷均匀分布于蜂窝芯的边缘。进行
有限元分析时，对２０ｍｍ 厚的双层交叉芯蜂窝纸板分 别施加３ｍｍ 和 ５ ｍｍ 的 位 移 载 荷，分 析 过 程 中 忽 略 了空气的影响。施加位移载荷后模型的变形情况如图 ３和图４所示。
由于双层的蜂窝 纸 板 的 模 型 相 当 规 则，采 用 四 边 形 单 元 对 模 型 进 行 网 格 划 分，控 制 单 元 的 尺 寸 为 ０．５ｍｍ，划分 网 格 后 共 有 １ ５１２ 个 节 点，１ ４４０ 个 单
收 稿 日 期 ：２０１２－０５－２１； 修 回 日 期 ：２０１２－０６－２８ 作者简介：高山 （１９８６－），男，河北唐山人，在读硕士研究生，主要从事机械制造及其自动化方面的研究。
· ７０ ·
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１２年第６期
元。在壳体结构有限元分析中之所以常优先考虑四边 形网格，是因为高质 量 的 四 边 形 网 格 相 对 于 自 由 度 相 同 的 三 角 形 网 格 而 言 ，有 更 好 的 边 界 网 格 形 态 ，能 够 获 取更精确的解 。 ［８］ 划分网格后的模型如图２所示。