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蜂窝铝板拟静力压缩LSDYNA模拟分析案例

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蜂窝铝轻质夹芯结构是一种外层为金属或非金属板、中间为铝蜂窝芯的三明治结构。因其优良的力学特性,在航空、汽车、建筑等领域得到广泛应用。

蜂窝铝板独特的蜂窝芯结构,可将外力均匀分散,有效提高了板材的抗压强度,能承受较大荷载。在航天、汽车等领域,蜂窝铝板的压缩性能可作为缓冲材料,吸收冲击能量。此外,蜂窝铝板较好的压缩性能还能使其在受力时保持稳定,不易变形。蜂窝芯层还能抵抗局部压力,确保板面平整,尤其在大尺寸板材应用中,可避免因受力不均导致的翘曲或凹陷。

本文通过workbench LSDYNA对某蜂窝铝板进行压缩仿真,分析其压缩力学性能。


 

-01-

模型建立


在【toolbox】中选择【Material Desginer】和【LSDYNA】模块,并把他们拖到主界面窗口,如下图所示。

在【Material Desginer】中右击选择【New MD】,进入材料设计器。选择右上角的蜂窝选项,显示RVE(代表性体积单元)模型为【Honeycomb】,如下图。在左侧【Outline】中,【material】默认,选择【geometry】,弹出的选项中输入有关几何参数,如下图所示,即:蜂窝厚度0.5mm,蜂窝边长20mm,胞元角度60°,蜂窝高度40mm,蜂窝重复次数5次。

设置完成后,点✓,即可建立本案例中的蜂窝实体。有限元分析时,蜂窝通常采用壳单元模拟。本例中蜂窝壁厚t=0.5mm,因为蜂窝边长与壁厚之比在(5~8)<L/t=20/0.5=40<(80~100)范围,为薄板,因此可认为蜂窝为薄壁件,采用壳单元进行模拟。

点击上图中的【exit】,退出材料设计器,软件自动进入spaceclaim,选择【prepare】,将上述蜂窝模型抽中面,如下图所示。

中面抽取后,在蜂窝模型的上下部位建立面板,面板尺寸和厚度如下图所示。
以上建立的模型中,蜂窝和板均为独立模型,我们隐藏面板,然后点击workbench面板下的share,如下图,可将蜂窝壳体相邻有接触的边进行共节点操作。
此处,也可显示上下面板,一起share,但这种操作会导致面板与蜂窝接触处共节点,网格划分不便。因此我们只对蜂窝进行共享操作。模型完成后,如下图所示。

-02-

材料参数与材料设置


模型建立完成后,将模型保存,退出spaceclaim。在LSDYNA模块导入刚才建立的模型。

接着进入LSDYNA模块中的【engineeringdata】,分别建立材料Q235和AL6061,材料相关参数输入如下:
两种材料的材料模型均采用双线性等向强化模型(Bilinear Isotropic Hardening)。

材料参数输入完成后,进入LSDYNA下的model界面,将面板设置为Q235,蜂窝设置为AL6061,如下图所示。

蜂窝铝板在压缩时,通过上下两块刚性板挤压。此处可以通过如下图操作建立两块实体刚性板,材料按照默认的结构钢。



-03-

接触设置与网格划分


挤压蜂窝铝板的上下刚性板与蜂窝铝板的面板之间采用摩擦接触,摩擦系数设置为0.2。接触面选择时,选择刚性板面侧为目标面,蜂窝铝板面板表面为接触面,如下图所示。

建模时,蜂窝铝板的面板未与蜂窝结构进行共节点操作,此处需要通过接触设置,模拟实际中两者的连接关系。通常蜂窝铝与面板之间为胶粘结构,此处为拟静力压缩,可以认为不会脱粘,可通过MPC绑定连接模拟接触连接。

蜂窝铝与面板之间的接触连接设置如下,注意接触面选择蜂窝孔的各个边线,目标面选择面板面。采用绑定连接,算法采用MPC,其余默认。

蜂窝铝板在压缩过程中,会产生自接触,可以通过body interaction设置。类型为摩擦接触,设置摩擦系数为0.2。设置如下:

以上就是刚性压板与蜂窝铝板、蜂窝铝与面板、自接触的所有设置。接下来进行网格划分。本例网格划分相对简单,本例蜂窝铝插入单元尺寸1.5mm,面板插入单元尺寸2mm,即可。如下图所示。

需要注意,当蜂窝铝与面板网格大小差异较大时,计算结果可能出现蜂窝铝穿透面板的现象。此外,蜂窝铝的单元尺寸需要适当控制,避免压缩时网格畸变严重,导致比较大的沙漏。

本例网格划分结果如下图所示。

网格划分完成后,可查看单元时间步长。对于大多数显式动力学问题,CFL时间步长通常建议控制在1e-7到1e-9秒量级之间。这个范围既能保证计算的稳定性,又能兼顾计算效率。
可以看到,本例时间步长在1e-7范围。


-04-

分析设置与边界条件


本例中,压缩时间设置为0.03s,压缩速度控制为1m/s,则总的压缩位移为1000*0.03=30mm。

在分析设置面板中输入分析时间,设置分析核数,并将单位系统设置为mks,即m,kg,s,如下图所示。

接着对底部刚性板施加固定约束,对上部刚性板施加1m/s的匀速加载。

以上设置完成后,在LSDYNA-pre面板下的【Rigid Body Tool】下插入【Rigid Body Constraint】,即刚体约束限制,使上压板只能在Z方向移动。如下图所示。
需要注意,以上刚性体的约束设置,如果替换为位移约束控制,结果会出现刚性板歪斜的现象,起不到约束作用。

以上设置完成后,就可提交任务计算。


-05-

结果分析


蜂窝铝板拟静力压缩的应力计算结果如下,最大应力191.7MPa,出现在蜂窝铝与板面的连接处。蜂窝铝的最大应力为120MPa,本例设置的蜂窝铝铝材的屈服强度为120MPa,为理想弹塑性模型。因此,可以看到蜂窝铝压缩达到屈服强度后,迅速屈曲失效。

下图为压缩结果局部放大,蜂窝铝在压缩失效过程中出现折叠,折叠部位没有发生穿透。

可以插入接触节点反力,查看一下总共的压力变化情况。如下图所示。

从上图可以看到,最大压力为6.389kN。压缩可分为弹性阶段、稳定阶段、强化阶段。插入表,可做力和位移曲线,如下图。可以看到,蜂窝铝在屈服后,由于被折叠挤压,在最后挤压压力还有一定上升。
下图为计算过程中能量的变化,可以看到能量基本转化为了蜂窝铝变形的内能。沙漏能、动能均不到5%。通常沙漏能要求5%以下。拟静力压缩中,动能越小,说明越接近静力压缩。

本例中,接触能约为155.27/1728.7=8.9%,小于为负的接触能。这表明蜂窝铝压缩时,可能存在局部穿透或滑移。


来源:薛定谔的Cube
SpaceClaimACTLS-DYNAWorkbenchAbaqus显式动力学非线性航空航天汽车建筑材料控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-12-31
最近编辑:9月前
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