基于优化的蜂窝板有限元模型修正

《基于优化的蜂窝板有限元模型修正》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第27卷第2期航天器环境工程20l0年4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING227基于优化的蜂窝板有限元模型修正孔宪仁1，秦玉灵1，罗文波2(1．哈尔滨工业大学卫星技术研究所，哈尔滨150001；2．中国空间技术研究院，北京100094)摘要：蜂窝板具有较高的比强度和比刚度，在航空航天领域得到广泛应用．用三明治等效方法计算蜂寄板等效材料参数，在MSC．Patran中建立有限元模型计算蜂窝板基频，通过分析设计变量和目标函数在NASTRAN中对蜂窝板基频进行优化，利用优化

2、结果确定等效剪切弹性模量计算公式中修正系数y并重新计算修正后模型基频，以试验所测基频值为标准对蜂窝板有限元模型进行修正。修正后模型计算基频值与实测值之间的偏差明显减小，证实了模型修正的有效性。关键词：蜂窝板；三明治等效方法；模型修．if-；设计变量；目标函数中图分类号：V414．1：0242．21文献标识码：A文章编号：1673—1379(2010)02-0227-04。DoI：10．39690．issn．1673—1379．2010．02．0211前言近几十年来，在卫星结构中，蜂窝夹层板已成为主

3、要的承力结构【l】。该结构由两块高强度薄表层和中间的夹芯层组成：表层通常采用高强度铝合金板或碳纤维涂上新型环保粘合剂以提高其耐火、耐腐蚀及抗紫外线能力；夹层根据需要可以采用不同形状的铝蜂窝芯，其中正六边形蜂窝芯用料省、制造简单、结构效率高，应用最广。蜂窝夹层结构具有重量轻，强度高，刚性好，隔音、隔热，寿命长，综合功能突出等特点。蜂窝板是一种结构型材料，建立有限元模型并进行有限元计算时，无法直接给定其物理参数，因此蜂窝结构有限元建模及分析无法直接进行，只能采取等效理论计算弘J。本文用三明治等效方法得

4、到了蜂窝板的等效材料参数，在MSC．Patran中建立蜂窝板的有限元模型，计算出蜂窝板基频并以试验所测基频值为标准，对蜂窝板有限元模型进行修正。通过分析设计变量和选取目标函数，建立了蜂窝板的优化模型并在Nastran中对蜂窝板的基频进行优化，利用优化结果讨论等效剪切弹性模量计算公式中修正系数y的取值。修正后模型计算基频值与实测值之间的偏差明显减小，证实了模型修正的有效性。2蜂窝板三明治理论等效计算对含有蜂窝夹层板的复杂结构进行分析时，由于NASTRAN等通用有限元程序中没有蜂窝结构单元，只能采用特

5、殊的方式进行，例如采用三维有限元方法或是采用层板单元进行近似分析。采用三维有限元方法的缺点是计算量巨大，对于一个复杂结构进行分析时，采用此方法得不偿失。此外，现有的层板单元也不能很好地近似蜂窝夹层板。另外，通过试验的方法测定各种蜂窝夹层结构，得到刚度矩阵，然后编制各种蜂窝板的材料单元库，再与通用有限元程序进行接轨，这种方法的难点是需要对各种类型的蜂窝板进行测定，由于蜂窝板的制造成本非常高，所以这种方法也很不易实现。鉴于上述各种方法在实际应用起来都存在难度，多年来人们极力追求等效方法，即先在理论上找

6、出蜂窝夹层结构的等效力学模型，实际分析时用等效力学模型代替原来结构pJ。对于正六边形蜂窝板，目前有3种常用的等效方法，即三明治夹芯板理论、蜂窝板理论以及等效板理论一J。等效板理论最容易实现，但是它无法反映蜂窝夹芯形状的影响；蜂窝板理论计算量相对较大，而且计算中需要用到三明治夹芯板理论的结果，在实际应用中不是很方便；三明治夹芯板理论计算工作量不大，容易实现。在早期的蜂窝夹层结收稿日期：2009。09．15；修回日期：2009—10．10作者简介：孔宪仁(1961．)，男，博士学位，教授，博士生导师，

7、主要研究卫星结构动力学、热力学等．泰玉灵(1982一)，女，博士研究生，研究方向为卫星结构动力学及模型修正．E-mail：erica2004ren@163．COIll。航天器环境工程2010年第27卷构分析模型中，为了简化分析，蜂窝芯层的面内刚度和弯曲刚度通常被忽略。事实上，虽然蜂窝芯层很软，但由于它相对蒙皮而言具有较大的厚度，忽略面内刚度和弯曲刚度会导致不可忽视的偏差。三明治夹芯板理论是对蜂窝夹芯进行等效的～种有效方法，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Kirchh

8、off假设，忽略其抵抗横向剪应力的能力，则蜂窝芯层可以等效为一均质的厚度不变的正交异性层【5J。正六边形蜂窝的胞元示意图如图l所示，其等效弹性参数为巨=去最(万弓习4E如(t)3／ax=1-4箬哆-l一等等q=鱼2￡13最Q=吒=去；最，式中：瓢Y表示板平面上两正交方向，z表示垂直于板面方向；Es为夹芯材料的工程常数；∥为泊松比；Z、t分别为蜂窝胞元壁板的长度和厚度；】，为修正系数，取决于工艺，一般取0．4～O．6之间，理论值取1。芯为正六边形铝蜂窝，材料为铝，弹性模量为点rs-6