铝合金夹心板结构极限承载能力有限元分析

　　1 引 言

　　如图 1 所示的扁宽薄壁大断面空心铝合金挤压型材夹心板结构已经被广泛应用于轨道车辆的铝合金车体[1-2],其轻质、高性能及适用于先进的制造工艺等夹心板结构特点使其未来在船舶、飞机等制造领域都将有广阔的应用前景。本文就此类夹心板结构进行非线性计算分析。

　　夹心板的力学特点是表层为主要承载层,而夹心的作用是把两块面板撑开,和表层一起承受剪力。对于本文研究的波形夹心板结构,其夹心属于“半刚硬”夹心,因此在计算中可忽略面板本身的抗弯刚度和横向抗剪刚度, 忽略夹心的 yz截面的抗弯刚度和夹心的抗扭刚度[3]。根据夹层板理论,将夹层结构芯层的折合刚度与面板刚度相叠加,则可以推导出该结构的各个等效弹性常数的计算公式[4]。夹心板结构的分析方法一般有两种。一种是解析法,即基于板理论的简化方法;另一种是数值方法。在过去的二三十年中,随着大型计算机的应用和发展,理论研究逐渐转向基于计算机的数值方法研究,最流行的就是有限元方法(FEM ),此外还有有限样条法(FSM )[5]。由于有限元法通用性强,且已有很多大型通用有限元分析软件(如 M SC.NASTRAN ,ANSYS)提供强大的非线性分析功能,因而本文采用有限元方法对图 1 所示的三角形波纹夹心板结构的极限承载能力进行了非线性计算分析, 并将其与静载强度试验的结果进行了比较。

　　利用有限元方法分析夹心板结构时,还有两种途径。一种是简化方法,将夹心板结构等效为由三层板组成的复合板,中间一层板的材料特性由等效弹性常数给出;另一种方法是对原结构不作任何简化,直接划分板单元进行计算分析。由于前者具有一定的近似性,仅适于在结构分析初期提供一个粗略的预估,因而本文采用的是后者。

　　2 有限元非线性分析

　　扁宽薄壁大断面空心铝合金型材夹心板结构在受载直至极限承载能力的过程中, 结构将同时显现出材料非线性(弹塑性)和几何非线性(大变形)的特点,因而该问题属于双重非线性问题。本文对如图 2 所示的 2 种型材断面 5 个模型(由挤压型材沿挤压方向焊接拼装而成)进行了非线性计算分析和比较。有限元模型选取 30m m (x 向)×50m m (y 向)的 4 节点板壳单元网格作为舟桥甲板模型计算的有限元网格,具体参数见表 1。

　　2.1 材料非线性

　　以弹塑性硬化本构模型(双线性随动硬化模式)模拟铝合金材料的非线性,它遵从 Von M ises屈服准则和 Prandtl-Reuss塑性流动法则:非焊接区域 E=66972.25N/m m2,!0.2=283.55M Pa,!b=298.915M Pa,硬化斜率 Hp为 224.167M Pa;焊接区域 E=63832.825N/m m2,!0.2=117.475M Pa,!b=180.075M Pa,硬化斜率 Hp为 1594.701M Pa。其中 Hp=!b-!0.2"b-"0.2。