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铝蜂窝芯共面弹性模量的ABAQUS有限元分析

更新时间:2009-03-28

铝蜂窝地板属于满足“工字梁原理”的夹层结构,目前已广泛应用于动车组内装件中。以中国标准动车组现车地板为例,扩展法成形的铝蜂窝芯单元为六边形,与水平方向呈θ角的4条边长为l,厚度为t,竖直方向的2条边长为h,厚度为2t,如图1所示。

  

图1 铝蜂窝芯的结构尺寸

x3方向为异面方向,x1-x2为面内共面方向。蜂窝芯子相当于工字梁的腹板,需承受全部的剪切载荷,所以,其共面弹性特性的优劣,将直接影响铝蜂窝地板的整体性能。

下面使用考虑了蜂窝孔壁弯曲、剪切及伸缩影响的解析公式,给出某型铝蜂窝芯的共面弹性模量的解析解[1]。接着使用有限元法,在ABAQUS环境中建立能够表征蜂窝周期性结构的胞元模型,通过限定合理的边界条件得到弹性模量的数值解。最后结合试验数据,将解析、数值和试验结果的吻合度进行对比,验证有限元模型的准确性。

1 数学模型的建立

使用Timoshenko理论和材料的小变形弹性假设,且认为胶接完好。对于动车组中常用的蜂窝芯,其壁厚与壁长的比值均可认为足够小。

1.1 E1的解析公式

如图2所示,蜂窝壁斜边长为l,直边长为h,蜂窝芯厚度为b,蜂窝壁厚为t。首先考虑x1方向的单轴压缩,远端应力σ1使得蜂窝斜孔壁同时发生了弯曲、剪切和伸缩变形。根据力平衡条件及Timoshenko理论,可以得到力矩M1、力P以及x1x2方向上的总挠度δ11δ12,即:

(1)

使用特征胞元代表整体结构进行有限元分析,如图4所示,胞元深度与整体结构一致,即为b,长度L=8(lcosθ+t),高度H=4(lsinθ+h)。在ABAQUS中使用S4R壳单元进行网格划分,并注意孔壁厚度的不同。

 

(2)

对胞元模型施加边界条件为:约束面S4S5S6U(X)=0.000 1;约束面S1S2S3U(X)=0;对点A全约束,即可得到E1的数值结果。

如图5、图6所示,胞元在共面方向上的变形结果满足位移耦合要求。对于变形x1,提取面S4S5S6上所有节点在x1方向上的节点力RF1并求和,得到ΣRF1;对于变形x2,提取线L1L5上所有节点在x2方向上的节点力RF2并求和,得到ΣRF2。接着代入(7)式便可得到E1E2的数值解。

考虑x2方向的单轴压缩(见图3)。与前文推导方式类似,可以得到力矩M2、力W以及x1x2方向上的总挠度δ21δ22,即:

 

(3)

  

图2 蜂窝共面尺寸及 1方向单轴受压变形

1.2 E2的解析公式

体内自由基过度累积会引发细胞氧化损伤,从而引起炎症、癌症、神经退行性疾病、糖尿病等多种疾病[1-2]和衰老[3].快速筛选和鉴定天然产物中的自由基清除活性成分,即抗氧化活性成分,对于疾病预防、指导药物合成、推进功能食品研发具有重要研究意义.

(4)

同理,x2方向上的弹性模量E2为:

 

(5)

其中,δ2为斜孔壁弯曲挠度,δs为斜孔壁剪切挠度,δa-i为斜孔壁轴向挠度,δa-u为竖直孔壁轴向挠度。所以,x2方向上的单轴压缩条件下总应变ε21ε22为:

 

(6)

  

图3 蜂窝共面尺寸及2方向单轴受压变形

2 胞元法数值模型的建立

其中,l为转动惯量,δ1为斜孔壁弯曲挠度,δs为斜孔壁剪切挠度,δa为斜孔壁轴向挠度,基体铝材的弹性模量为Es,泊松比为υs。所以,x1方向上的单轴压缩条件下总应变ε11ε12为:

  

图4 特征胞元的选取及特征

x1方向上的弹性模量E1为:

对胞元模型施加边界条件为:约束线L1L5U(Y)=-0.000 1;约束线L6L10U(Y)=0;约束线L8U(X)=0;约束面S1S4S7S8U(Z)= 0且UR(X)~UR(Z)=0;约束面S3S6S9S10U(Y)= U(Z)=0且UR(X)~UR(Z)=0;对点B全约束,即可得到E2的数值结果。

需要注意的是,该边界条件需保证变形协调,即相对面上的节点间位移耦合。胞元建模所需的尺寸及材料参数为:水平长l为6 mm,垂直高h为6 mm,蜂窝壁厚t为0.04 mm,网格倾角θ为30°,厚度b为6 mm,弹性模量Es为72 GPa,泊松比vs为0.34[1]

3 共面弹性模量的数值结果

目前,我国大部分企业会计成本核算方法都采用两种方式。品种法和分步法。但在我国会计成本核算中不仅只有以上两种成本核算方式,导致企业会计成本核算实际工作中,对不同的生产资源运用错误的核算方式,影响最终的成本费用,从而对企业的发展产生影响。企业在实际发展过程中产生的成本费用较为复杂,如果不能够运用正确的方式计算,不仅浪费时间,还难以保证最终计算结果的准确率。因此,在我国企业会计成本核算中,应改革会计成本核算方法,以此促进企业进步。

本次会议由上海市节能协会主办、申能能源服务公司、上海西虹桥能源投资有限公司、康明斯(中国)投资有限公司、上海稷方新能源科技有限公司协办。上海市节能协会分布式供能专委会副主任陈梅娟主持本次会议。

  

图5 x1方向变形前后对比

  

图6 x2方向变形前后对比

参照试验结果[1],将式(3)和式(6)得到的解析解与式(7)得到的数值解进行了比较。对于E1,解析值为0.049 63 MPa,数值解为0.054 97 MPa,试验解为0.045 MPa~0.055 MPa;对于E2,其解析值为0.048 82 MPa,数值解为0.050 38 MPa,试验解为0.043 MPa~0.053 MPa。对比发现,胞元模型得到的共面弹性模量值与解析及试验解相比,一致性程度较高,且更贴近于试验值,证明所建立的胞元模型良好的计算准确性。

对于传统媒体与新媒体的融合概念分可为狭义和广义两种,广义的媒体融合是指包括一切媒体及某有关要素的相互渗透及融合;而狭义的媒体融合是指将不同形态的媒体融合形成一种新的媒体形态。具体来说就是数字杂志、数字电视以及手机报等,这些属于狭义的媒体融合概念,而新媒体产业联盟等属于广义的媒体融合概念。

 

(7)

4 结论

通过合理选择胞元尺寸以及保证变形协调条件的边界约束条件,建立了能够快速计算动车组铝蜂窝地板芯子结构共面弹性模量的有限元模型。通过与试验及解析结果的对比发现,该模型计算精度较好,能够为设计人员对蜂窝结构的优化工作提供数值基础。

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参考文献

[1] 孙德强,张卫红,孙玉瑾.蜂窝铝芯的弹性模量和材料效率分析[J].力学与实践,2008,30(1): 35-40.□

 
孙林峰,李莉
《轨道交通装备与技术》2018年第02期文献

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