M-型皱褶芯材夹层板吸能性能研究

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1、航空学报AclaAerOnaulicaetAslrOnauficaSinicaFeb252016VOl37N02579．587ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxb．buaaedu．cnhkxbI孕buaaeducnM一型皱褶芯材夹层板吸能性能研究周华志，王志瑾*南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016摘要：作为先进复合材料夹层结构，皱褶夹层板是一种具有众多优点的新型夹层板结构。本文建立了带有缺陷的皱褶芯材有限元模型，对M型皱褶芯材的能量吸收率和几何参数之间的关系进行了研究。压缩试验仿真

2、结果与CEL—PAcT项目中的试验结果相符。与蜂窝芯材相比，皱褶芯材在吸能性能上表现出了很大的优势，其能量吸收率是蜂窝芯材的两倍多。此外，本文采用响应面法获得了M型皱褶芯材几何参数和吸能性能指标之间的关系。最后，以吸能性能最优为目标，采用拉丁超立方抽样(LHS)方法获得初始样本，以多目标非支配排序遗传算法(NSGA—II)对皱褶芯材进行了优化。关键词：皱褶夹层板；抗坠撞；能量吸收率；响应面；优化中图分类号：V214．9文献标识码：A文章编号：10006893(2016)02一0579一09提高直升机的抗坠毁能力，是现代直升

3、机，特别是武装直升机生存能力设计的主要要求之一。直升机抗坠毁设计过程中，机身设计非常关键。而机身设计中，机身下腹部所处的位置决定了它在坠撞时最有可能(不考虑起落架)先接触到地面，因而其吸能能力的设计就成为了机身结构抗坠性设计的重中之重。机身下腹部结构吸能主要是通过结构的大塑性变形和破碎来完成的。为了尽可能地减轻重量，直升机必须使用能量吸收率(EnergyAbsorp—tionCoefficient，EAC)高的材料。材料的能量吸收率是指单位质量的抗坠毁吸能材料在飞行器触地坠毁时通过材料本身的变形、压溃过程吸收的机身冲击能量

4、的多少。为了获得高EAC的结构和材料，国内外作了很多的研究。荷兰的国家航空实验室(NLR)设计的波纹梁结构是一种有效的缓冲吸能结构，已经成功地在NH一90直升机的地板下结构中用做缓冲吸能元件口]。刘瑞同等研究了波纹梁的缓冲吸能原理，并讨论了结构尺寸的不同对波纹梁在轴向准静态载荷下的吸能能力和峰值载荷的影响比]。龚俊杰和王鑫伟对长单波纹梁、短单波纹梁和三波纹梁的吸能能力进行了数值模拟[3]。Zhou等发现中等冲击速度下石墨／环氧复合材料单波纹板准静态加载和动态加载的抗坠毁性能无明显差异；此外，不同波纹圆心角的单波纹板的失效模

5、式不同；他们还提出了一种刚度修正模型来预测单波纹板的失效模式口]。除波纹梁外，薄壁管是另一种有效的缓冲吸能结构。Indermuehle等对复合材料方锥管的碰撞冲击进行了仿真[5]。Nagel和Thambiratnam通过准静态分析研究了锥形薄壁管的壁厚、锥角、锥面数以及横截面尺寸对吸能能力的影响，获得了一些对抗坠毁设计有指导意义的结论卧]。San—tosa等发现，泡沫填充材料的存在改变了薄壁管收稿日期：2015—03-04；退修日期：2015—04．02；录用日期：2015—06—01：网络出版时间：2015-06—291

6、3：49网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／deta．I／111929V．201506291349002html基金项目：江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(KYLX一0298)；中央高校基本科研业务费专项资金*通讯作者Tel：025．84891791E—mail：zhijjn@nuaaeducn引用格武

7、属华志．王志瑾．M-型皱褶芯材夹层板吸能性能研究i也．航空学报，2016，37(2)：579—587．ZHoUHZ．WANGZJAnalyslsdenergyabsoro{Ioncaoab甜yofM—t

8、yDefoIded∞resandwichstructureiJjActaAeronaulIcaetAslronaut{cas{nlca，2016．37(2)：579—587。航空学报的破坏模式，从而更多的能量会在变形中耗散掉‘7

9、。复合材料结构因其特殊的损伤与破坏机理而具有更好的缓冲吸能性能。Tan和Chen研究了新型编织复合材料多胞结构(TCCSs)的吸能能力，发现：胞元越小，结构的吸能能力越好；胞元开角越接近90。，其吸能能力越好口]。倪先平等对波纹梁、厚蜂窝和T型组合件等元件进行了吸能特性研究，发现厚蜂窝下底板盒段和

10、波纹梁盒段都有很好的吸能特性[9]。皱褶芯材结构具有夹芯板结构共有的高比强度、高比刚度、消声和隔热等特性，芯材结构形式的多样性决定了皱褶夹芯板具有非常优异的结构可设计性，可以制造出如变厚度板、阶梯板和曲面板等各种各样的结构形式，而这是蜂窝夹芯结构做不到的。皱褶夹芯板具有大量的空腔，为大塑性变形提供了可能