CN110704942B - 铝蜂窝结构有限元模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝蜂窝结构有限元模拟方法，包括以下步骤：在三维CAD软件中根据铝蜂窝结构实际尺寸建立铝蜂窝CAD模型，该铝蜂窝CAD模型由7个大小相同的窝孔形成，每个窝孔截面均为正六边形；将所建立的铝蜂窝CAD模型导入有限元前处理软件中，将每个窝孔的面划分成1个四节点四边形的壳单元；在壳单元的每条边上生成1个2节点的梁单元，并将分布在窝孔顶部和底部的梁单元记为第一梁单元，将分布在窝孔中部的梁单元记为第二梁单元；赋予壳单元准静态条件下的应力应变曲线，并赋予第一梁单元和二梁单元刚度曲线。本发明能够准确反映沿窝孔轴向和沿与窝孔轴向垂直方向的力学性能和变形模式。

Description

铝蜂窝结构有限元模拟方法
技术领域
本发明属于汽车的有限元分析技术领域，具体涉及一种铝蜂窝结构有限元模拟方法。
背景技术
铝蜂窝是一种采用粘合剂将辊压形成的波浪形铝箔粘接，形成的具有类似蜂窝的六边形窝孔的结构。如图1所示，一种基本铝蜂窝结构，由7个截面为正六边形的窝孔组成。其正六边形的边长为1-1，以a表示，窝孔的长度为1-2，以b表示；每个窝孔由6个面组成，分别是1-3～1-8。该结构作为一种重要的吸能元件，在受到沿窝孔轴线方向的压缩变形时，可产生稳定的溃缩变形，并能吸收大量的能量。
在汽车行业，铝蜂窝被用来制造可代表不同类型、不同结构强度的“模型车辆”，这种“模型车辆”在汽车碰撞安全领域被称为“碰撞壁障”。在碰撞实验中，碰撞壁障与被测试车辆发生碰撞，用于检测被测试车辆的碰撞安全性能。汽车设计开发过程中，在开展上述碰撞壁障与被测试车辆实物碰撞实验之前，往往需要在计算机上通过有限元方法模拟两者之间的碰撞，并对车辆结构作出优化设计，直至设计车辆通过计算机模拟碰撞测试。但是，计算机模拟碰撞测试通过则能预测对应的实物碰撞测试通过的关键是计算机模拟精度。而影响模拟精度的关键因素之一是碰撞壁障的模拟精度，即铝蜂窝的模拟精度。
铝蜂窝除了结构本身的溃缩吸能特性外，还存在空气效应。因为铝蜂窝窝孔中存在空气，当铝蜂窝在被动态压缩时，空气无法及时逃逸，存在压强，所以空气效应可进一步提升铝蜂窝的能量吸收。
目前铝蜂窝结构本身的溃缩吸能特性的模拟方法主要有四类：第1类是梁单元模型，在铝蜂窝结构的每条边上布置1个梁单元，最后基本铝蜂窝结构简化成镂空梁单元有限元模型，如图2所示，每个窝孔由18个梁单元组成，分别是顶部的6个梁单元2-3～2-8、中部的6个梁单元2-9～2-14、底部的6个梁单元2-15～2-20。顶部梁单元和底部梁单元长度2-1为a，中部梁单元长度2-2为b。
第2类是实体单元模型，基本铝蜂窝结构简化成由12个大小相同的长方体单元组成，如图3所示，单个长方体单元的长3-1为
Figure BDA0002193763170000011
宽3-2为4a/3，高3-3为b/2。
第3类是窝孔孔径放大的壳单元模型，基本铝蜂窝结构简化为由6个尺寸相同的面组成的单个窝孔结构，如图4所示，其长度4-1为2.5a，高度4-2为b。每个面均由24个大小相同的壳单元4-3组成。
第4类是与实物1：1尺寸的壳单元模型，其结构与实物完全一致，如图5所示，有7个窝孔，每个窝孔截面为正六边形，其边长5-1为a；窝孔高度5-2为b。每个窝孔有6个尺寸相同的面组成，每个面均由24个大小相同的壳单元5-3组成。
铝蜂窝的有限元模拟精度有两个关键的评价指标，一是力学性能(挤压力与变形曲线)，另一个是变形模式。上述四类模拟方法中，第4类模型能完全真实反映实物的结构，在力学性能及变形模式的模拟上，其精度最高。其他三类仅能比较准确反映在沿窝孔轴线方向的力学性能，但无法准确反映在沿与窝孔轴线垂直方向的力学性能，同时也无法准确反映变形模式。
在空气效应的模拟上，上述四类模拟方法主要通过增加气囊模型或调整梁单元的刚度来实现。当压缩铝蜂窝结构的速率提升，其力学性能会明显提升，但是上述四类模拟方法仅能反映某一种速率下的空气效应。
铝蜂窝有限元模型的另一个评价指标就是单元规模，该指标会影响计算时间。目前第4类模型计算时间最长，第2和3类次之，第1类耗时最少。
因此，开发了一种新的铝蜂窝结构有限元模拟方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝蜂窝结构有限元模拟方法，能准确反映沿窝孔轴向和沿与窝孔轴线垂直方向的力学性能和变形模式。
本发明所述的一种铝蜂窝结构有限元模拟方法，包括以下步骤：
建立铝蜂窝CAD模型：在三维CAD软件中根据铝蜂窝结构实际尺寸建立铝蜂窝CAD模型，该铝蜂窝CAD模型由7个大小相同的窝孔形成，窝孔的高度记为b，每个窝孔截面均为正六边形，其边长记为a；
建立铝蜂窝结构有限元模型：将所建立的铝蜂窝CAD模型导入有限元前处理软件中，将每个窝孔的面划分成1个四节点四边形的壳单元，该壳单元的尺寸为a*b(即壳单元的长度为a，高度为b)；在壳单元的每条边上生成1个2节点的梁单元，并将分布在窝孔顶部和底部的梁单元记为第一梁单元，其长度为a，将分布在窝孔中部的梁单元记为第二梁单元，其长度为b；
赋予属性：赋予壳单元准静态条件下的应力应变曲线，并赋予第二梁单元刚度曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能准确反映准静态挤压条件下沿窝孔轴向的力学性能和变形模式；赋予第一梁单元刚度曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能准确反映沿与窝孔轴线垂直方向的力学性能和变形模式。
进一步，给壳单元增加不同应变率下的应力应变曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能准确反映不同挤压速率下的空气效应。
本发明具有以下优点：
(1)通过调整第二梁单元刚度曲线和壳单元的应力应变曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能够准确反映准静态挤压条件下沿窝孔轴向的力学性能和变形模式；
(2)通过增加壳单元不同应变率下的应力应变曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能够准确反映不同挤压速率下空气效应；
(3)通过调整第一梁单元的刚度曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能够准确反映沿与窝孔轴线垂直方向的力学性能和变形模式；
(4)铝蜂窝结构有限元模型的单元数量大大减少,计算时间介于第1类与第2、3类模型之间，提升了计算效率。
附图说明
图1是基本铝蜂窝实物结构示意图；
图2是现有第1类梁单元模型示意图；
图3是现有第2类实体单元模型示意图；
图4是现有第3类窝孔孔径放大的壳单元模型示意图；
图5是现有第4类与实物1：1尺寸的壳单元模型示意图；
图6是本发明中所述铝蜂窝结构有限元模型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种铝蜂窝结构有限元模拟方法，包括以下步骤：
建立铝蜂窝CAD模型：
在三维CAD软件中根据铝蜂窝结构实际尺寸建立铝蜂窝CAD模型(即铝蜂窝CAD模型与实际的铝蜂窝结构的大小相同)，该铝蜂窝CAD模型由7个大小相同的窝孔形成，每个窝孔的截面均为正六边形，其边长6-1记为a，窝孔的高度6-2记为b。
建立铝蜂窝结构有限元模型：
将所建立的铝蜂窝CAD模型导入有限元前处理软件中，将每个窝孔的面划分成1个四节点四边形的壳单元6-5，该壳单元6-5的尺寸为a*b(即壳单元的长度为a，高度为b)。壳单元划分完成后，铝蜂窝结构有限元模型共有30个壳单元，参见图6。在壳单元6-5的每条边上生成1个2节点的梁单元，并将分布在窝孔顶部和底部的梁单元记为第一梁单元6-3，其长度为a，将分布在窝孔中部的梁单元记为第二梁单元6-4，其长度为b。铝蜂窝结构有限元模型共有84个梁单元，参见图6。
本实施例中，一个窝孔由6个壳单元6-5和12个第一梁单元6-3和6个第二梁单元6-4组成。
赋予属性：
赋予壳单元6-5准静态条件下的应力应变曲线，并赋予第二梁单元6-4刚度曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能够准确反映准静态挤压条件下沿窝孔轴向的力学性能和变形模式。赋予第一梁单元刚度曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能够准确反映沿与窝孔轴线垂直方向的力学性能和变形模式。
本实施例中，给壳单元增加不同应变率下的应力应变曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能够准确反映不同挤压速率下的空气效应。
本实施例中，准静态条件是指加载速度很慢，比如：一分钟压缩距离为0.001毫米。应力应变曲线的横坐标是应变，纵坐标是外加的应力，应力应变曲线的形状反应材料在外力作用下发生的脆性、塑性、屈服、断裂等各种形变过程。应变率是应变对时间的导数，用于衡量材料快速变形的一个参数。刚度曲线的横坐标是变形，纵坐标为外加的力，刚度曲线的形状反应材料在外力作用下的形变过程。

Claims (2)

1.一种铝蜂窝结构有限元模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立铝蜂窝CAD模型：在三维CAD软件中根据铝蜂窝结构实际尺寸建立铝蜂窝CAD模型，该铝蜂窝CAD模型由7个大小相同的窝孔形成，窝孔的高度记为b，每个窝孔截面均为正六边形，其边长记为a；
建立铝蜂窝结构有限元模型：将所建立的铝蜂窝CAD模型导入有限元前处理软件中，将每个窝孔的面划分成1个四节点四边形的壳单元，该壳单元的尺寸为a*b；在壳单元的每条边上生成1个2节点的梁单元，并将分布在窝孔顶部和底部的梁单元记为第一梁单元，其长度为a，将分布在窝孔中部的梁单元记为第二梁单元，其长度为b；
赋予属性：赋予壳单元准静态条件下的应力应变曲线，并赋予第二梁单元刚度曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能准确反映准静态挤压条件下沿窝孔轴向的力学性能和变形模式；赋予第一梁单元刚度曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能准确反映沿与窝孔轴线垂直方向的力学性能和变形模式。
2.根据权利要求1所述的铝蜂窝结构有限元模拟方法，其特征在于：给壳单元增加不同应变率下的应力应变曲线，使铝蜂窝结构有限元模型能准确反映不同挤压速率下的空气效应。
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