CN110321571B - 一种蜂窝板壳结构的力学参数数值提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蜂窝板壳结构的力学参数数值提取方法，在三维建模软件中建立蜂窝板壳结构的三维模型，并进行模型简化；将模型转换格式，导入前处理软件Hypermesh中，修复蜂窝板壳模型；在Hypermesh中选用壳单元对简化后的三维模型进行离散，添加连接方式，对材料和属性进行设置，完成蜂窝板壳结构有限元模型的构建；在Hypermesh中Nastran求解器下进行分析设置，添加求解目标的控制卡片，求解得到支反力；根据应力应变公式，代入支反力计算出相应的弹性参数。本发明使得在蜂窝板壳结构的力学参数提取过程中能更加快捷方便地获取结果，相比于理论推导等需要繁复的力学运算和简化，大大提高了计算精度和运算速度，节省了时间。

Description

一种蜂窝板壳结构的力学参数数值提取方法
技术领域
本发明涉及蜂窝板壳结构的力学仿真分析领域，具体地说是一种蜂窝板壳结构的力学参数数值提取方法。
背景技术
蜂窝夹层板是目前应用较广的一种多用途结构材料，具有复杂几何结构的正六边形铝蜂窝夹层板是最为常见的蜂窝夹层板。由于具有较高的比强度、比刚度以及较好的隔热隔振和耐冲击、抗疲劳的优点，蜂窝夹层结构广泛应用于航空航天、船舶、交通运输、建筑等领域。例如：飞机和卫星上大量采用铝蜂窝夹层板结构，基于其良好的力学性能和便于减重的特点，有的卫星的主要受力结构几乎全部由蜂窝夹层板结构构成。一般情况下，蜂窝结构质量能占整个卫星板结构的80-90％。
由于在Nastran等当前常用航天产品通用工程软件中没有蜂窝结构单元，因此在对包含蜂窝结构的产品进行数值分析时只能采用三维实体模型或基于等效理论的等效板模型。但是三维模型建模较为复杂，并且由于蜂窝板形状原因导致计算量会很大，同时，蜂窝夹层板壳结构的内部构造使得其整体剪切模量、弹性模量等弹性参数无法直接通过构成材料来直接确定或者进行简单转换得到。在如今科学研究中，计算量小的等效板模型的应用更为普遍。等效理论的重点主要是针对蜂窝板芯层结构进行等效，等效过程主要是保持蜂窝夹层板芯层等效前后剪切模量、弹性模量等弹性参数不变，在等效过程中需要通过一定的方法求解各个方向的弹性参数。常用的方法一般是理论推导求解，这种办法不仅容易出错，而且过程繁复，会耗费大量的时间和精力。于是，蜂窝夹层板壳结构的弹性参数的获取便成为一大问题。
蜂窝板壳结构的力学参数传统的提取方法是运用力学知识进行理论推导，这种方法虽然比较可靠，但是计算过程复杂繁琐，而且最终的数值结果也会忽略某些较小的量，例如因为蜂窝胞壁的厚度相对高度而言很小，因此二者比值的高次幂常常被忽略，因此比较费时间的同时精度也不是很高，这些弊端使得我们必须迫切找到一种更加方便快捷且精确可靠的弹性参数获取方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种蜂窝板壳结构的力学参数数值提取方法，可以方便快捷、简单明了地来提取蜂窝板壳结构的各力学参数。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种蜂窝板壳结构的力学参数数值提取方法，包括以下过程：
步骤1：在三维建模软件中建立蜂窝板壳结构的三维模型，并进行模型简化；
步骤2：将模型转换格式，导入前处理软件Hypermesh中，修复蜂窝板壳模型；
步骤3：在Hypermesh中选用壳单元对简化后的三维模型进行离散，添加连接方式，对材料和属性进行设置，完成蜂窝板壳结构有限元模型的构建；
步骤4：在Hypermesh中Nastran求解器下进行分析设置，添加求解目标的控制卡片，求解得到支反力；
步骤5：根据应力应变公式，代入支反力计算出相应的弹性参数。
所述蜂窝板壳结构的三维模型包括上下面板和由若干正六边形胞元构成的蜂窝芯层。
所述修复蜂窝板壳模型包括生成局部因模型导入而缺失的面。
所述对简化后的三维模型进行离散为壳单元在承载计算过程中，忽略沿壳体厚度方向应力的变化。
所述连接方式为胶粘连接。
所述分析设置包括对边界条件的设置和载荷的施加。
所述载荷的施加是根据目标力学参数计算公式施加给定的应变位移载荷到相应位置。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明在蜂窝夹层板壳结构有限元模型的构建过程中，选用壳单元对简化后的三维模型进行离散，忽略沿壳体厚度方向应力的变化，认为应力沿该方向均匀变化，不仅使得在仿真过程中实现简化计算，而且也避免了体网格划分不同导致结果变化的问题；
2.本发明对蜂窝夹层板壳结构的有限元模型施加应变位移载荷，使其对应方向产生特定的应变，精确地模拟出蜂窝夹层板壳结构实际工况下的应力应变情况，最终得到有限元建模分析的结果要比理论计算值更精确；
3.本发明通过有限元建模分析，最终得到相应方向的支反力，再根据给定的应变位移，便可以根据基础的应力应变力学公式得到该力学参数，该方法思路清晰，分析结果精确。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为蜂窝夹层板壳结构的三维图；
图3为蜂窝夹层板壳结构在Hypermesh中的壳单元简化模型示意图；
图4为蜂窝夹层板壳结构的有限元模型示意图；
图5为蜂窝夹层板壳结构坐标系示意图；
图6为求解Ez边界条件及载荷示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明的方法流程图。
本发明的数值提取方法的过程主要分以下三步：
步骤一，在三维建模软件中建立蜂窝夹层板壳结构的三维模型，完整地画出正六边形蜂窝立体结构。然后，进行相应的模型简化，主要对蜂窝夹层板边界位置由于建模时镜像导致的蜂窝胞壁不规整进行修改，以便于有限元模型的构建；
步骤二，将模型转换格式导入前处理软件Hypermesh中，然后修复蜂窝板壳模型。蜂窝板模型从三维建模软件导入到Hypermesh中，蜂窝壁厚度相对高度而言很小，模型导入后实体变为由外壳包络，并且会导致部分面的缺失情况，因此需要将缺失面补齐，为后续有限元建模做准备；
步骤三，在Hypermesh中选用壳单元对简化后的三维模型进行离散，进一步完成蜂窝板壳结构有限元模型的构建。壳单元忽略沿壳体厚度方向应力的变化，认为应力沿该方向均匀变化，使得在仿真过程中实现简化计算；在前处理过程中，相对于体网格，使用壳单元能够大大减小计算量，而且也避免了体网格划分不同导致结果变化的问题；
步骤四，在Hypermesh中Nastran求解器下进行分析设置，最终求解得到支反力。设置边界条件以及载荷来仿真真实工况下的应力应变进行静力学分析，进而得到整个蜂窝夹层板壳结构在应变位移载荷作用下的下的支反力。对蜂窝夹层板施加边界条件和载荷，以计算求解Ez的分析设置为例；
本发明建立了精确的蜂窝夹层板壳有限元模型，将施加应变位移载荷后仿真分析得到的支反力代入应力应变计算公式，最终得到真实反映蜂窝结构应力应变特性的力学参数，过程简单，结果精确。
本发明针对蜂窝夹层板壳结构的的力学参数数值提取方法来进行有限元建模与仿真分析。蜂窝夹层板壳结构简单，由正六边形蜂窝排列而成。
首先，在三维建模软件中建立了蜂窝夹层板壳的三维模型，并对其进行相应的简化：主要对蜂窝夹层板边界位置由于建模时镜像导致的蜂窝胞壁不规整进行修改，以便于有限元模型的构建，最终三维模型如图2所示。
然后，将模型转换格式导入前处理软件Hypermesh中，然后修复蜂窝板壳模型：由于蜂窝壁厚度相对高度而言很小，模型导入后实体变为由外壳包络，并且会导致部分面的缺失情况，因此需要将缺失面补齐，为后续有限元建模做准备。模型采用壳单元简化如图3所示。
其次，在Hypermesh软件中对蜂窝夹层板壳结构进行前处理，蜂窝夹层板壳结构的有限元建模采用的是PSHELL壳单元，选用壳单元对简化后的三维模型进行离散，进一步完成蜂窝板壳结构有限元模型的构建。壳单元忽略沿壳体厚度方向应力的变化，认为应力沿该方向均匀变化，使得在仿真过程中实现简化计算；在前处理过程中，相对于体网格，使用壳单元能够大大减小计算量，而且也避免了体网格划分不同导致结果变化的问题。该方法是根据蜂窝夹层板结构复杂、计算量大的点特点，用计算量小、处理简单方便的壳网格来完成有限元建模，它既能够保证蜂窝夹层板壳力学参数提取过程中的计算精度，又能够减小网格整体的规模。最终得到蜂窝夹层板壳结构的有限元模型，如图4所示。整个模型共包含4719个单元和4694个节点。
最后，将整个有限元模型在Hypermesh中Nastran求解器下进行分析设置，具体需要对其进行边界条件和载荷的设置。根据受力和应力应变关系，确定蜂窝夹层板壳结构的边界条件设置和载荷设定。边界条件的设置为根据所求的力学参数(以Z方向弹性模量Ez为例)来确定固定位置，在Hypermesh中，蜂窝夹层板壳结构坐标系如图5所示，运用Constraints来对蜂窝夹层板Z向下部整体位置固定。为了提取蜂窝夹层板壳结构的力学参数，对蜂窝夹层板结构的Z向向下施加特定的应变位移载荷εz＝0.001m，由此载荷产生支反力，其具体分析设置如图6所示。
进行静力学求解即可得到最终的结果，仿真分析计算结束后，得到载荷下的支反力。
最终将仿真支反力代入位移载荷和支反力以及蜂窝夹层板的尺寸参数到公式
Figure BDA0001612119080000051
中，其中，F为计算得到的支反力，W为蜂窝夹芯宽度，L为蜂窝夹芯长度，εz为已知施加的位移应变。计算得到Z向弹性模量，同理可计算得到其他力学参数的值，各力学参数提取时的边界条件设置如下：
测定弹性模量Ex时，将X向上边界固定，在X向下边界施加应变位移载荷εx＝0.001m；
测定弹性模量Ey时，将Y向上边界固定，在Y向下边界施加应变位移载荷εy＝0.001m；
测定弹性模量Ez时，将Z向上边界固定，在Z向下边界施加应变位移载荷εz＝0.001m；
测定剪切模量Gxy时，将X向上边界固定，在X向下边界施加应变位移载荷εy＝0.001m；
测定剪切模量Gxz时，将X向上边界固定，在X向下边界施加应变位移载荷εz＝0.001m；
测定剪切模量Gyz时，将Y向上边界固定，在Y向下边界施加应变位移载荷εz＝0.001m；
当施加应变位移载荷时，根据仿真计算得到的应力云图，读取支反力。
最终可以得到如下结论：
1)根据力学公式计算得到Z向弹性模量为0.649GPa，而根据解析法理论计算得到的Z向弹性模量为0.647GPa，通过进一步计算对比发现，弹性模量与剪切模量等结果数值在同一个数量级上，并且符合地较好，说明此方法的合理和准确。尽管两种方法得到的参数有一定的差别，但是考虑到解析法在理论计算中问题的简化和极小量的省略以及本发明涉及的有限元法用壳单元简化等情况存在，数值上较小的出入能够接受。
2)由所得各力学参数计算结果对比可知，由于参数提取方法自身理论的限制，导致解析法的结果并不完整，部分参数无法计算得到，这也从一定程度上说明了本发明的力学参数提取方法的优势所在。

Claims (5)

1.一种蜂窝板壳结构的力学参数数值提取方法，其特征在于：包括以下过程：
步骤1：在三维建模软件中建立蜂窝板壳结构的三维模型，并进行模型简化；
步骤2：将模型转换格式，导入前处理软件Hypermesh中，修复蜂窝板壳模型；
步骤3：在Hypermesh中选用壳单元对简化后的三维模型进行离散，添加连接方式，对材料和属性进行设置，完成蜂窝板壳结构有限元模型的构建；
步骤4：在Hypermesh中Nastran求解器下进行分析设置，添加求解目标的控制卡片，求解得到支反力；所述分析设置包括对边界条件的设置和载荷的施加；
所述载荷的施加是根据目标力学参数计算公式施加给定的应变位移载荷到相应位置；
步骤5：根据应力应变公式，代入支反力计算出相应的弹性参数；
将仿真支反力代入位移载荷和支反力以及蜂窝夹层板的尺寸参数到公式
Figure FDA0003162067350000011
中，其中，F为计算得到的支反力，W为蜂窝夹芯宽度，L为蜂窝夹芯长度，εz为已知施加的位移应变，得到相应的弹性参数。
2.根据权利要求1所述的蜂窝板壳结构的力学参数数值提取方法，其特征在于：所述蜂窝板壳结构的三维模型包括上下面板和由若干正六边形胞元构成的蜂窝芯层。
3.根据权利要求1所述的蜂窝板壳结构的力学参数数值提取方法，其特征在于：所述修复蜂窝板壳模型包括生成局部因模型导入而缺失的面。
4.根据权利要求1所述的蜂窝板壳结构的力学参数数值提取方法，其特征在于：所述对简化后的三维模型进行离散为壳单元在承载计算过程中，忽略沿壳体厚度方向应力的变化。
5.根据权利要求1所述的蜂窝板壳结构的力学参数数值提取方法，其特征在于：所述连接方式为胶粘连接。
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