一种铝蜂窝夹层结构仿真方法研究

第51卷第3期2021年5月吉林大学学报（工学版）Journal of Jilin University ( Engineering and Technology Edition)Vol. 51 No. 3May 2021仿蜂窝防护结构的承载特性于征磊“2,信仁龙2,陈立新2,朱奕凝3,张志辉2,曹青2,金敬福％赵杰亮(1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022;2.吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春130022;3.延边大学农学院，吉林延吉133002;4.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081)摘要：为满足对结构安全方面的要求，本文借鉴蜂窝结构强度比高、力学性能优异的特性，运用结构仿生学原理设计并建立了简化的仿直蜂窝、仿斜蜂窝和平板结构3种模型。

在5种不同 工况下利用有限元分析软件OptiStruct对3种模型进行了承载特性分析，运用3D打印技术制 备3种模型，并对样件进行力学特性试验。

根据模拟结果与试验数据对比分析得到以下结论：仿斜蜂窝结构各位置的应力数值相近，仿斜蜂窝具有良好力学传导特性；在相同质量情况下，仿斜蜂窝结构的承载能力较仿直蜂窝结构提高12%，较平板结构提高150%,其承载能力有着 较大的优势，所以仿斜蜂窝结构较为合理。

本文的研究实现了对仿蜂窝结构的承载性能分析，为防护结构轻量化设计提供了参考。

关键词：工程仿生学；仿生结构设计；3D打印；承载特性；数值模拟；结构安全设计中图分类号：T B17 文献标志码：A文章编号：1671-5497(2021)03-1140-06DOI ：10. 13229/ki.j d x b g x b20200056Load bearing characteristics of honeycomb protection structureY U Z h e n g-lei''2,X I N R e n-long2,C H E N Li-xin2,Z H U Y i-ning:i,Z H A N G Zhi-hui2,C A C)Q i n g2,JIN Jing-fu2,Z H A C)Jie-liang4(1. Stale Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Ji/iti University, Changehu?i130022, China；2. Key Laboratory of Bionic Engineering, Mitiistry of Education, Jilin University, Changchun130022, China；3. Agriculture College^ Yanbian University, Yanji133002, China-,4. Department of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology^ Beijing 100081, China)Abstract：In order to m e e t the requirements of structural safety,in this p a p e r,first,the characteristics of high strength ratio and high mechanical properties of h o n e y c o m b structure w e r e used for reference,and applies the principle of structural bionics to design and establish three simplified structure m o d e l s,the direct h o n e y c o m b structure,oblique h o n e y c o m b structure and plate structure.S e c o n d,under five different w o r king conditions,the finite element analysis software OptiStruct w a s used to analyze the bearing characteristics of three m o d e l s.Finally，the three m odels w e r e prepared by 3D printing technology,and the收稿日期：202〇-〇l-23.基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFB1105100);国家自然科学基金项目（51975246);吉林省科技发展计划项目（YDZJ202101ZYTS134);汽车仿真与控制国家重点实验室自由探索项目（郦d-zytsxm-202013);吉林省教育厅“十三五”科技项目（YDZJ202101ZYTS134);工程仿生教育部重点实验室开放基金项目(KF20200001).作者简介：于征晶（1984-)，男，副教授，博士 .研究方向：仿生结构设计.E-m ail:************.cn通信作者：金敬福（ 1978-),男，教授，博士生导师.研究方向：工程机械仿生设计.***********************.cn第3期于征磊，等：仿蜂窝防护结构的承载特性•1141 •mechanical properties of the samples wer e tested and c o m p a r e d with that of simulation results.It is s h o w n that the stress values at each position of the structure are similar to each other,and the structure has g o o d mechanical conductivity.U n d e r the condition of the s a m e quality,the bearing capacity of the imitation oblique h o n e y c o m b structure is 12%higher than that of the imitation vertical h o n e y c o m b structure,and 150%higher than that of the plate structure.This w o r k m a y provide a reference for the lightweight design of the protection structure.Key words：engineering bionics；bionic structure design；3D printing；bearing characteristics；numerical simulation；structural safety design〇引言结构设计已广泛应用于航天航空、车辆船舶 等领域，随之而来的是结构的安全问题越来越受到人们的关注，结构防护工程领域亦成为了研究热点。

复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用摘要：飞机结构设计的基本原则是在满足强度要求的情况下使结构尽可能轻，这一要求必然导致需利用稳定的薄蒙皮承受拉伸载荷和压缩载荷，以及剪切、扭转、弯曲载荷的耦合作用。

传统的飞机结构设计中使用了纵向加强件和增稳桁条、翼肋和隔框等结构加强蒙皮，这样不可避免会带来结构增重问题。

提高结构比刚度的有效结构形式之一是夹层结构，复合材料夹层结构具有重量轻、强度刚度好，耐热、吸声隔音、抗冲击、耐疲劳等特点，已被广泛应用于航空航天中。

关键词：复合材料；蜂窝夹层；飞机；结构设计蜂窝夹层结构复合材料是50年代末发展起来的一种轻质、高强、各向异性的复合材料。

蜂窝夹层结构的密度小,可以明显的减轻结构重量;它的导热系数低,可以作为绝热和保温构件使用;它的比强度和比刚度高,可根据特殊的要求进行各向异性设计与制造。

因此长期以来备受航空、航天等领域的关注,尤其在航空工业中,蜂窝夹层结构复合材料己成功的大量应用于飞机的主、次承力结构件,如机翼、机身、尾翼和雷达罩等部位。

由于飞机飞行的环境条件比较苛刻,要求飞机用材料不仅有足够的强度、抗冲击性和刚度,而且还需良好的耐疲劳性、阻燃性、减重及抗腐蚀等许多特殊要求。

为了使飞机能正常进行飞行,在对所选用的材料性能进行全面的分析后,还需探索清楚构件性能与成型工艺之间的规律,这是材料应用的重要环节。

一、蜂窝夹芯结构的特点1、发挥复合效应的优越性。

夹层结构复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的,但它并不是由几种材料简单的复合,而是按复合效应形成新的性能,这种复合效应是夹层结构复合材料仅有的。

例如当夹芯板承受弯曲载荷时,上蒙皮被拉伸,下蒙皮被压缩,芯子传递剪切力。

从力学角度分析,它与工字梁很相似,面板相当于工字梁的翼缘,芯材相当于工字梁的腹板。

不同的是芯材与面板不是同一材料,芯材是分散的,而不是集中在狭腹板上。

由于轻质夹芯的高度比面板高出几倍,剖面的惯性距随之四次方增大,且面板有夹芯支持不易失稳。

.夹层结构一种复合构造的板、壳结构，它的两个表面由很薄的板材做成,中间夹以较轻的夹芯层。

前者称为表板,要求强度高；后者称为夹层，要求重量轻。

第二次世界大战时,为了充分利用木材资源,英国的“蚊式”轰炸机上就采纳了全木质夹层结构。

一样夹层结构用于机翼、尾翼、机身、箭体、箭头、减速板、发动机短舱、隔音装置、防火隔板等。

与薄壁结构的薄蒙皮相较，夹层板的厚度大得多，抗击失稳能力强，重量还可减小，而且表面滑腻，气动外形良好。

但它的制造工艺复杂，工艺质量又不易查验，因此应用受到限制。

夹层结构表板的材料有、不锈钢、和各类。

夹层材料有轻质木材、泡沫塑料等，也可用金属材料或复合材料制成波纹板夹层或蜂窝型夹层（见）。

夹层与表板一样用胶粘结在一路,也可用熔焊、焊接连接,形成整体。

在整体受力分析中，以为上、下两表板只经受表板面内的拉、压力和剪切力,不能经受弯矩和扭矩,而中间夹层只经受垂直于夹层中面的切力。

夹层结构与一样板壳结构受力分析的唯一不同在于挠度计算中除考虑弯曲力矩产生的挠度外，还要考虑剪力的阻碍。

夹层结构的两表板之间距离较大，因此夹层结构的弯曲刚度比一样板壳结构大得多，失稳临界应力显著提高。

夹层结构自身不用铆钉,免去钉孔引发的应力集中,提高了疲劳强度。

夹层结构与相邻结构的连接较为复杂，夹层本身的局部接触强度较弱,又需经受连接的集中力,因此必需妥帖进行接头设计。

轻质夹芯高强度面层.类型、特点及应用类型：按面层分类：玻璃钢、金属、绝缘纸、胶合板、塑料板等按芯层分类：泡沫夹层结构、波板夹层结构、蜂窝夹层结构等。

特点：泡沫夹层结构的夹芯材料是泡沫塑料其质量轻、刚度大、保温隔热性能好。

可是强度不高蜂窝夹层结构的夹芯材料是蜂窝材料(玻璃布蜂窝、纸蜂窝、棉布蜂窝等)特点：质量轻、强度大、刚度大应用：构件尺寸较大、强度要求较高的部件。

如图：波板夹层结构波板夹层结构的夹芯材料是波纹板(玻璃钢波纹板、纸基波纹板和棉布波纹板)。

特点：制作简单，节省材料，但不适用于曲面形状的制品，质量轻、刚度大。

航空用蜂窝夹层结构及制造工艺摘要：蜂窝夹层复合材料的设计与制造是先进飞机研制的关键技术之一。

随着新材料、新工艺和新技术的发展，飞机结构用蜂窝夹层结构在蜂窝类型、规格（容重与孔格大小）、预浸料特性（流变特性、自粘性、悬垂性）及面板厚度、胶膜选择及使用与否均有新的特点，其结构特性与成型工艺、性能和成本有着密切关系。

关键词：航空结构；蜂窝；夹层结构；成型工艺；预浸料；胶粘剂；叙述了蜂窝夹层结构在飞机结构上的应用，介绍了航空用蜂窝夹层结构原材料性能与选择依据。

在分析典型夹层结构特点及成型方式的基础上介绍了热压罐工艺、真空袋工艺、模压工艺及液体成型工艺成型飞机夹层结构的特点。

一、蜂窝芯子蜂窝种类包括Nomex蜂窝、铝蜂窝及玻璃布蜂窝等，其功能是将上、下面板隔开，以承受由一个面板传递到另一个面板的载荷和横向剪力。

根据孔格形状可分为正六边形、过拉伸、单曲柔性、双曲柔性、增强正六边形和管状等，在这些蜂窝夹芯材料中，以增强正六边形强度最高，正六边形蜂窝次之。

由于正六边形蜂窝制造简单，用料省，强度也较高，故应用最广。

应用上，由于NOMEX蜂窝与铝蜂窝相比，局部失稳的问题要小得多，而且NOMEX材料不导电，不存在电化腐蚀问题，还能够满足FST（烟雾毒性）等要求，所以在航空制造上具有广泛的应用领域。

不同规格的蜂窝具有不同的密度和力学性能，密度小于48kg/m3的蜂窝属于低密度蜂窝，这类蜂窝在民机、直升机、无人机等亚音速飞机上具有广阔的使用前景。

密度为48~80kg/m3的蜂窝称为中、高密度蜂窝，具有较高的强度及刚度，广泛应用于某些有特殊力学性能要求的部位，如歼击机的平尾、鸭翼及方向舵等。

目前国外航空用蜂窝的生产厂家主要有Hexcel、M.C.Gill、Plascore、Advanced Honeycomb Technologies及Euro-technologies Inc.等，国内主要是中航复合材料有限责任公司。

不同厂家生产的Nomex蜂窝制造标准和产品性能是有差异的，选用时可参考GJB1874及其他有关资料。

一、铝蜂窝板起源科学家发现，蜜蜂所做的六角六面状窝是一个杰作，它以最少的材料消耗，构筑成极为坚固的蜂窝，其结构要比其他任何形状的结构更强有力。

因为这种多墙面的排列和一系列连续的蜂窝形的网状结构，可以分散来自各方的外力，使得蜂窝结构对挤压力的抵抗，比任何圆形或正方形要高得多。

科学家对蜂窝结构的研究，给人们的启迪是，即使非常纤薄的材料，只要把它制成蜂窝形状，就能够承受很大的压力。

正是收到蜂巢的启发，铝蜂窝板蜂窝结构材料才开始面世。

二、铝蜂窝板简介铝蜂窝板是结合航空工业复合蜂窝板技术而开发的金属复合板产品系列。

该产品采用“蜂窝式夹层”结构，即以表面涂覆耐候性极佳的装饰涂层之高强度合金铝板作为面、底板与铝蜂窝芯经高温高压复合制造而成的复合板材。

铝蜂窝板产品系列具有选材精良、工艺先进和构造合理的优势，不仅在大尺度、平整度有出色的表现，而且在形状、表面处理、色彩、安装系统等方面有众多的选择。

此外，面板除采用铝合金外，还可根据客户需求选择其它材质，例如：铜、锌、不锈钢、纯钛、玻璃纤维、防火板等。

三、铝蜂窝板构造采用高强度合金铝板作为面板与底板，中间用航空粘合剂内粘六角铝箔蜂窝芯，经热压复合成型并在铝板表面施加装饰性或防腐蚀性涂层的一种高档三层全铝结构装饰板材。

四、铝蜂窝板特点-板材平整度高-安装方便快捷-板材重量轻、强度高-可实现大块面的板材-蜂窝状芯材有助于空间的保温效果-丰富的颜色和表面处理可供选择-出色的定制化加工能力，满足客户的个性化需求-高质量材质和先进加工工艺，确保产品经久耐用-各种安装系统适用不同方案，且便于安装和日常维护五、铝蜂窝板产品用途（1）建筑幕墙外墙挂板（2）室内装饰工程（3）广告牌（4）船上建筑（5）航空制造业（6）室内隔断及商品展示台（7）商用运输车和货柜车车体（8）公共汽车、火车、地铁及轨道交通车辆（9）对环保要求很严的现代家具行业来说，用铝蜂窝板来做家具的加工材料，是新世纪一种很好的材料选择，其完全无毒的绿色品质，让铝蜂窝板面板可多样化如实木，铝板，,家具商在加工家具时，少了不必要的环保程序；另外．石膏板，天然大理石材，均可做成蜂窝板，材料选择方便。

㊀第43卷㊀第4期2024年4月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43㊀No.4Apr.2024收稿日期:2022-10-13㊀㊀修回日期:2023-08-31基金项目:国家自然科学基金项目(51904179);山东省自然科学基金项目(ZR2023ME148);山东省精密制造与特种加工重点实验室项目(5322027)第一作者:曹梦真,女,1999年生,硕士研究生通讯作者:安钰坤,男,1987年生,副教授,硕士生导师,Email:anyukun277@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202210016泡沫铝有限元仿真模型研究现状曹梦真1,邱田伟1,安钰坤1,2(1.山东理工大学机械工程学院,山东淄博255000)(2.山东鸿宇风机有限公司,山东淄博255300)摘㊀要:泡沫铝作为一种兼具结构性和功能性的轻质多孔金属材料,具有优异的阻尼减震㊁吸能防护㊁电磁屏蔽等特性,呈现出广阔的应用前景㊂为改进和拓展泡沫铝在各工业领域的应用,对泡沫铝材料的有限元仿真模拟应运而生,对其的仿真模型也日趋完善㊂综述了泡沫铝仿真模拟中的孔泡建模研究进展,归纳分析了所采用的构建方法与研究结果,总结了各仿真模型的优势和不足,并对泡沫铝仿真建模的发展趋势做出了展望,指出将三维逆向重构技术引入仿真建模,以及将理论分析㊁建模模拟和实验研究相结合是现阶段重要的研究方向㊂关键词:泡沫铝;数值模拟;有限元方法;仿真模型中图分类号:TG146.2;O346㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2024)04-0323-08引用格式:曹梦真,邱田伟,安钰坤.泡沫铝有限元仿真模型研究现状[J].中国材料进展,2024,43(4):323-330.CAO M Z,QIU T W,AN Y K.Research Status of Finite Element Simulation Model of Aluminum Foams[J].Materials China,2024,43(4):323-330.Research Status of Finite Element SimulationModel of Aluminum FoamsCAO Mengzhen 1,QIU Tianwei 1,AN Yukun 1,2(1.School of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China)(2.Shandong Hongyu Ventilator Limited Company,Zibo 255300,China)Abstract :As a kind of lightweight porous metal with both structural and functional performances,aluminum foam presentsexcellent damping,energy absorption protection,electromagnetic shielding,and other characteristics.Hence,aluminum foam shows broad application prospects.To improve and expand the application of aluminum foam in various industrial fields,the finite element simulation of aluminum foam emerges,and the simulation models are constantly improved.This pa-per focuses on the bubble modeling in aluminum foam simulation,summarizing the construction methods,research results,and the advantage and disadvantage of each model.Additionally,the development trend of aluminum foam simulation model-ing is prospected,such as incorporating 3D reverse reconstruction technology into the modeling process and integrating theo-retical analysis,simulation modeling,and experimental research.Key words :aluminum foam;numerical simulation;finite element method;simulation model1㊀前㊀言泡沫铝是一种由铝合金基体和孔泡复合而成的新材料[1,2],既具有金属材料的结构特性,又有多孔材料的功能特性㊂轻质㊁高比强度㊁阻尼减震以及电磁屏蔽等特性使泡沫铝材料在建筑㊁汽车㊁航天航空等领域拥有广阔的应用前景[3,4]㊂然而,在泡沫铝的发泡制备中,发泡剂是否均匀分散㊁孔泡是否稳定,均会显著影响发泡效果进而影响材料性能㊂为准确模拟实际泡沫铝的性能,构建一个多孔泡沫铝模型是仿真模拟的基础㊂有限元法(finite element method,FEM)又称有限元分析(finite element analysis),由Clough [5]在20世纪70年代首次提出,它作为一种可以用来解决力学问题的数值近似方法,随着计算机的发展不断崛起,被逐步引入多孔中国材料进展第43卷金属材料的模拟研究中[6,7]㊂在建模过程中只需改变相应参数,即可得到不同孔隙分布的模型,缩短试验周期,节约成本提高效率,同时解决泡沫铝样品在实验中不可重复的问题,具有一定的前瞻性㊂同时,仿真模拟也可作为理论分析和实验测试强有力的工具,预测多孔材料宏观尺度的力学性能和破坏损伤机制,有效解决实际生产中的诸多问题㊂目前,有许多微尺度模型可以体现出泡沫铝的结构特性,本文将多孔泡沫铝的仿真模型分为3类:简单晶胞模型㊁随机模型和三维CT重构模型㊂本文针对不同类别具有代表性的模型进行详细阐述,并归纳模型的构建方法与研究结果,分析模拟结果与实验结果的差异,对各模型的优势与不足进行深入探究㊂2㊀简单晶胞模型早期学者对泡沫铝的结构不甚了解,仅用简单实体结构模拟泡沫铝的孔隙,即代表体积单元(representative volume element,RVE)[8,9],又称为镶嵌法[10]㊂该三维模型是将一个独立基本单元不断复制与堆砌形成的,多采用简单立方或近球体模拟孔泡形态㊂RVE法可通过增加晶胞点数或面数提高复杂性,但模型构造方法保持不变㊂2.1㊀立方胞体模型受金属晶体晶格结构[11]的启发,研究人员通过不断堆砌实体单元构建出多孔材料结构㊂立方胞体作为最简单的晶格结构,分为简单立方㊁面心立方和体心立方3类,且此构造方式可以形成具有良好对称性和周期性的高孔隙率几何模型㊂图1为Libonati等[12]建立的3类立方胞体单胞模型(其参数特性如表1所示),该模型可在一定程度上模拟泡沫铝的孔隙结构,在准静态压缩状态下呈现典型的线弹性㊁塑性平台和致密化3个变形阶段,且变形失效模式与实验测试结果高度相关[13],如图2所示㊂袁本立等[14]对1/8胞体结构模型沿z轴加载模拟发现,简单立方结构支撑棱柱存在不均匀性,中心位置与节点过渡处部位差异较显著,在结构吻合度方面略逊于面心立方和体心立方结构㊂刘培生等[15]的八面体模型构造原理与面心立方相似,单元错落有致地分布在3个相互垂直的三维方向上,实现结构整体的密堆积,该模型的承载模拟表明结构状态和承载状态是完全等价的,具有三维同性的优势,然而仅适用于孔隙率大于70%的多孔结构㊂简单的整体结构使立方胞体模型在模拟孔隙率高于80%的试样时结果较为准确[16],但它无法模拟复杂多变的孔隙结构,因此建模精度不高,不能真实地反映多孔材料的力学性能㊂2.2㊀Gibson-Ashby模型美国麻省理工大学Gibson和英国大学Ashby在研究泡沫铝力学性能时构建了Gibson-Ashby经典模型[17],如图3所示[18],该模型由1个孔隙单元和12根相互垂直的棱柱组成,立方框架结构简单均匀且具有各向同性㊁普适性及广泛的应用价值[19]㊂同时,Gibson也最早采用三段式分段函数来表征泡沫铝的应力-应变曲线,从细观梁弯曲理论角度展现了线弹性区㊁屈服平台区和致密化区3个变形阶段,并充分考虑到闭孔泡沫铝的胞壁延展变形,给出了泡沫材料压缩强度表达式:σ∗pl=C1φ㊃ρ∗ρs()3/2+C2(1-φ)㊃ρ∗ρséëêùûú㊃σys(1)其中,ρ∗和ρs分别为泡沫和基体的密度,σ∗pl和σys分别表1㊀立方胞体结构参数及与相对密度的定量关系Table1㊀Cubic cell structure parameters and relationships with relative density Cell type Cell structure Ratio of sphere radius Equations of relative densitySingle-centered cubic cell model Open-cellClosed-cell1/2<r s/a<2/20<r s/aɤ1/2ρfsρs=8π3(r s/a)3-3π(r s/a)2+π4+1ρfsρs=1-4π3(r s/a)3Face-centered cubic cell model Open-cellClosed-cell2/4<r f/a<6/60<r f/aɤ2/4ρffρs=80π3(r f/a)3-122π(r f/a)2+22π+1ρffρs=1-16π3(r f/a)3Body-centered cubic cell modelOpen-cellPartial open-cellClosed-cell1/2<r b/a<32/83/4<r b/aɤ1/20<r b/aɤ3/4ρfbρs=52π3(r b/a)3-(7+43π)π(r b/a)2+34+712()π+1ρfbρs=8π(r b/a)3-43π(r b/a)2+34π+1ρfbρs=1-8π3(r b/a)3423㊀第4期曹梦真等:泡沫铝有限元仿真模型研究现状图1㊀3种立方胞体单胞模型及三维实体模型[12]Fig.1㊀Single cells and the three-dimensional solid models of three cubic cell models[12]图2㊀基于3种立方胞体模型模拟的准静态压缩下的变形失效模式及与实验结果对比[13]Fig.2㊀Simulated deformation failure modes of three cubic cell models under quasi-static compression and comparisons with experimental results[13]图3㊀Gibson-Ashby 模型[18]:(a)单胞模型,(b)拉伸位移及应力云图Fig.3㊀Gibson-Ashby model [18]:(a)single cell model,(b)tensile displacement and stress contour523中国材料进展第43卷为泡沫材料和基体材料的屈服强度,φ为孔棱所占基体材料的体积分数㊂然而,由于发泡过程中孔泡的随机分布,无法有效控制孔棱整体分布,且孔棱与孔壁的分界无统一标准,因此,实际微观结构与理论微观结构仍存在差别,造成理论弹性模量与临界屈服应力高于实际所测结果[20]㊂Tereza等[19]在建模时通过增加棱柱厚度压缩中央孔洞体积构建了不同孔隙率的Gibson-Ashby模型,并发现该模型对大于70%的高孔隙率材料可实现有效预测,相对电导率和相对杨氏模量的预测结果与实验结果都相差4%左右㊂Haag等[21]通过实验对比发现,Gibson-Ashby 模型只能对几何模型失稳显著的泡沫结构进行稳态蠕变行为预测,且只能预测泡沫蠕变率的下限,具有很大的局限性㊂刘培生[22]分析发现该模型结构具有无法密堆积㊁棱柱结构不完全等价等缺点,导致受力效果不够理想以及裂纹扩展方式与受力分析存在偏差㊂2.3㊀Kelvin模型Kelvin模型的单胞由8个正六边形和6个正四边形组成,具有26个顶点和36根棱边,又称十四面体模型(图4)㊂该模型单胞可按周期性规则排列填满整个空间,也被认为是最接近泡沫金属的结构模型[23],在模拟低密度的泡沫金属时更具有真实性㊂Kelvin模型属于RVE方法中的一种类型,可通过增加几何结构的复杂性使模型接近真实孔泡㊂Belardi等[24]及Jang等[25]对传统Kelvin 模型进行了改进,建立了沿带离散变化的圆形截面有限元梁模型,并用光束模型校正节点的弹性特性,使该模型在力学性能方面与实体结构的差异大大缩小,且计算量远低于实心Kelvin模型㊂Zheng等[26]与Duan等[27]分别利用LS-DYNA及ABAQUS/Explicit2种有限元模拟软件研究了准静态Kelvin模型单胞的力学响应和变形模式,发现变形模式是从加载端逐渐积累应变,并通过渐进堆积完成整体变形㊂Sun等[28]认为Kelvin模型未考虑顶点对力学性能的影响从而高估了材料的杨氏模量,在应力-应变图中无法准确展现出压缩平台区域㊂对称分布的宏观Kelvin力学模型无法模拟微观结构对整体的影响,致使所得结果与实验结果存在不少偏差㊂图4㊀Kelvin模型结构建模步骤[23]Fig.4㊀Modeling steps for Kelvin modeled structure[23]3㊀随机模型由于用宏观力学模型模拟微观结构特征准确度不高,近年来,诸多学者通过构建随机模型来模拟具有高度复杂孔隙结构的泡沫金属的力学行为㊂与简单晶胞模型同质化连续统一方法不同,随机模型可以模拟泡沫铝发泡成形的过程,实现胞孔随时间/空间的变化,具有非均质多尺度的优势㊂3.1㊀随机胞孔模型随机胞孔模型可分为二维和三维2种,是将简单胞孔在一定平面或空间随机排布而形成的随机模型,可通过调整胞孔尺寸参数和数量来改变孔隙结构,实现随机模型的整体构建㊂Dou等[29]结合C++和ANSYS/LS-DY-NA软件建立了不同相对密度(20%,30%和40%)的二维随机模型,采用圆形孔泡随机分布的建模方式,探究不同相对密度下微惯性效应对应变率效应的影响㊂分析发现相对密度越高应变率效应越明显,该结论与实验结果保持一致,但由于孔壁缺陷,模拟值与实验结果相差10%左右[30]㊂三维随机模型分为球形㊁椭球形和多面体形,该类模型构建步骤如下:先构造一个立方体模型,设定孔隙率㊁孔径范围及最小壁厚等参数,在立方体空间随机生成形核点,使形成的实体胞孔随机排列且不会干涉,最后运用布尔运算即可得到三维随机模型㊂该法得到的模型孔隙结构更接近真实泡沫铝,且仿真结果与实验结果趋于一致㊂Fang等[31,32]利用凸多面体模型模拟泡孔隙单元形成泡沫铝模型并映射生成有限元网格,分析发现多孔材料对冲击作用下的能量吸收源于孔壁的塑性变形(图5)㊂623㊀第4期曹梦真等:泡沫铝有限元仿真模型研究现状图5㊀三维随机多面体泡沫铝模型构建步骤(a)和模拟的准静态压缩时的应力-应变曲线(b)[31,32]Fig.5㊀Modeling steps for three-dimensional random polyhedral aluminum foam model (a)and simulated stress-strain curve during quasi staticcompression (b)[31,32]㊀㊀泡沫铝胞孔内的气体在变形时受到细胞壁坍塌挤压,进而推动下一阶段压缩,因此赋予气体参数并考虑空气效应会更接近实验结果㊂Zhu 等[33]通过不同的渐进损伤模型比较孔泡形态对压缩性能的影响,发现椭球形态的孔泡呈现出各向异性几何结构,胞孔内部气体压力对不同方向施加载荷导致非对称变形,进而使材料拥有更高的弹性模量和抗压强度(30~40MPa)㊂三维随机模型在建立之初就能够考虑到实际的泡沫铝形态,既有宏观规律性又有微观随机性,推广性和实用性更强㊂然而模型的模拟过程也会相对繁琐,模型参数的设置比较复杂且随机因素较多,因此编程前的设计准备以及程序运行所耗费的时间和精力会显著增加㊂3.2㊀Voronoi 模型Voronoi 模型是利用空间分割方法,通过定义切割点的距离将空间划分为规定个数的无缝单元㊂Voronoi 模型的二维及三维模型如图6所示[34,35],成形方法是在一个指定的空间中,先生成距离不能小于规定值并随机排列的形核点,以其为中心按相同速率长大形成胞孔,当相邻胞孔彼此相遇时停止生长,边界即为相邻形核点相连的垂直平分线,直至布满整个空间㊂我国的国家游泳中心 水立方 就是采用了这种构造方式[35]㊂Li 等[36]运用LS-DYNA 有限元软件与霍普金森压杆研究泡沫铝试样在70m /s 的速度下的压缩变形行为,实验与模拟所得的应力-应变曲线如图7所示,均呈现典型的线弹性区㊁屈服平台区和致密化区3个阶段且两数据吻合度较高,表明Voronoi 模型具有准确的预测作用㊂除孔洞结构参数外,基体材料的力学性质也将直接决定泡沫金属的压缩行为和变形模式㊂程和法等[37]对纯铝及铝基泡沫金属进行压缩试验,纯铝为基体的泡沫铝表现出典型的塑性泡沫特征和较低坍塌屈服强度,铝基泡沫金属呈现典型的脆性泡沫特征和较高的弹性模量及屈服强度㊂对于三维Voronoi 模型,学者多选择理想的弹塑性模型来表征泡沫铝单元壁材料[38],如采用著名的Cowper-Symonds 关系表征母材的塑性变形[39]:泡沫铝基体的典型弹性模量为69~73GPa,屈服强度为100~300MPa [40];或是利用von Mises 屈服准则及各向同性硬化塑性材料模型[41,42],通过静态单轴拉伸实验提取屈服应力及切线模量作为实际参数增加模拟结果准确率[43,44]㊂Voronoi 模型的建模过程模拟了泡沫铝材料随机发泡成形的过程,在表现材料微观结构复杂性的同时提高了计算效率,因此获得广泛应用㊂然而,二维或三维Voronoi 模型因采用随机形核成长的建模方式,每个孔泡边缘处均呈现较为尖锐的边界,与实际的胞孔圆弧边界不符[45],易造成应力集中等缺陷㊂此外,Voronoi 模型未考虑泡沫铝多孔泡交界处Plateau Border 边界的真实形貌,因此该模型分析结果与实际有较大差异㊂研究表明,图6㊀Voronoi 模型:(a)2D-Voronoi 壳单元模型[34];(b) 水立方 场馆外墙,(c)3D-Voronoi 几何模型[35]Fig.6㊀Voronoi model:(a)2D Voronoi [34];(b)external wall of the building Water Cube and (c)3D Voronoi [35]723中国材料进展第43卷图7㊀基于Voronoi模型的压缩实验模拟(a)及所得应力-应变曲线及与实验结果对比(b)[36]Fig.7㊀Simulation for compression test based on Voronoi model(a)and simulated stress-strain curve and comparison with experiment result(b)[36]该模型与Kelvin模型相比,对泡沫铝材料体积弹性模量的预测结果低20%[46]㊂为改善Voronoi模型,有关学者通过向模型中加入圆形或椭圆形胞孔来减少模型与实际的偏差,但是该法削弱了随机孔隙优势㊂此外,Voronoi 模型的孔壁厚度是通过壳型建模形成的,其孔壁厚度保持一致,难以实现随机分布,因此当泡沫铝试样孔壁厚度不均甚至相差较大时,模拟结果与实际实验出现较大偏差㊂4㊀三维重构模型三维重构建模是结合同步辐射X射线计算机断层照相技术(synchrotron X-ray computed tomography,SXR-CT)进行重构,近乎可实现材料结构1ʒ1无损建模㊂三维重构模型的精度受SXR-CT的扫描步长和分辨率影响,在工业CT技术迅猛发展的背景下,该模型的研究也日趋增多[47,48]㊂此外,对于结构比较复杂的闭孔泡沫结构而言,SXR-CT是一种很有前景的小尺度三维结构研究方法,具有较高的空间分辨率,可以在不破坏原始物体的情况下原位观察结构以及特征的变化[49-51](图8),具有其他模型不具备的真实性和准确性㊂Li等[49]利用SXR-CT技术建立了三维重构模型,有限元方法模拟的应力应变曲线与该试样的真实测试结果如图9所示,2组数据呈现高度吻合;在结构薄弱处首先出现的压缩面逐渐扩展至整个模型,塑性变形带演化规律与实际测试结果契合度较高㊂Kader等[52]发现泡沫铝承载时会在孔壁交界处的Plateau Border形成塑性铰(plastic图8㊀三维重构模型构建流程图[51]Fig.8㊀Flow chart of three-dimensional reconstruction model construction[51]823㊀第4期曹梦真等:泡沫铝有限元仿真模型研究现状hinge),弯曲力矩的存在降低了孔壁的承载性能,而胞壁的速率依赖性和微惯性取决于结构特性[53],从而导致孔隙结构的坍塌㊂目前,基于泡沫铝模型模拟的力学性能与实际测试值之间的误差一般归因于模型构建中忽略了细胞壁的微孔及微缺陷,据统计,直径在30~350μm 范围内的微孔约占金属体积的26%[54]㊂Zhang 等[47]研究发现,在控制微孔缺陷作为单一变量后,垂直载荷和水平载荷方向上的模拟分析结果与真实试样测试结果相比,全局误差分别为15.9%和4.5%㊂图9㊀基于三维重构模型有限元模拟的应力应变曲线及与实验结果对比[49]Fig.9㊀Comparison of stress-strain curves from finite element methodsimulation based on three-dimensional reconstruction model andthe experiment[49]Toda 等[55]关注到应力松弛发生的微裂纹或微孔偏转,他们通过在孔泡之间建立互连来影响金属泡沫的胞孔结构,进而引起显著的裂纹偏转㊂Movahedi 等[56]则认为孔壁中微孔的存在作为裂纹萌生和扩展源进一步诱导了局部应力集中,从而削弱了泡孔结构强度(图10)㊂利用三维重构技术可以真实反映出内部微孔的分布,这也是基于三维重构模型的模拟结果更加准确的原因㊂然而,由于SXR-CT 是基于不同角度的静态图像识别,需要对现有实体进行扫描重构,严重依赖数据收集,因此难以对孔隙率㊁孔径尺寸及分布㊁孔泡壁厚及胞孔形状等参数进行反复多次的定量研究[57]㊂三维重构模型大小受CT 分辨率影响,当试样尺寸过大或分辨率要求太高时,需要大型试验设备及专业人员进行繁琐复杂的重构处理㊂CT 图像阈值的设置会直接决定孔隙率的识别情况,进而导致孔泡与铝基体区域的误判㊂此外,该模型无法实现高通量随机模型的构建,且模型构建成本偏高,这也是制约此技术推广发展的关键因素㊂5㊀结㊀语泡沫铝材料由于发泡条件各不相同,胞孔大小㊁分图10㊀内部微孔分布的三维渲染透视图[56]Fig.10㊀Three-dimensional rendered perspective view of internalmicro-pores distribution [56]布以及胞壁厚度复杂多变,关于泡沫铝模型的构建一直都在不断突破与完善㊂为了分析并预测泡沫铝的承载性能及失效模式,本文分析并讨论了现有的几种泡沫铝有限元模型的优缺点,分别是:以代表体积单元构建的简单晶胞模型,该模型结构简单,但无法反映实际的多孔结构;以随机形核点构建的非均质多尺度随机模型,可实现孔壁和孔泡数目的参数设定;运用X 射线衍射及图像重构技术的三维重构模型,可实体1ʒ1无损建模并能精确反映泡沫材料的微观结构㊂泡沫铝材料内部孔隙具有复杂性和随机性,使材料在承载时表现不同的失效模式,为此寻求并构建一种可精确反映泡沫铝随机孔隙结构的孔泡模型,准确且简单地表征出实际泡沫铝的结构特点并具有一定实用性和推广性,仍是泡沫铝材料数值模拟研究的重要一步㊂参考文献㊀References[1]㊀HU L,LI Y,YUAN G,et al .Journal of Materials Science[J],2022,57(24):11347-11364.[2]㊀AN Y K,YANG S Y,ZHAO E T,et al .Materials and 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[57]WANG E D,SUN G Y,ZHENG G,et posites Part B:Engi-neering[J],2020,202:108247.(编辑㊀惠㊀琼)033。

２０２０年第３８卷１２月增刊西北工业大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＤｅｃ．Ｖｏｌ．３８２０２０Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ收稿日期：２０２０⁃０９⁃０１基金项目：南京航空航天大学青年科技创新基金（ＮＳ２０１８０５２）资助作者简介：陈金宝（１９８０ ），南京航空航天大学教授，主要从事航天器结构与机构设计㊁航天器着陆缓冲机构设计研究㊂通信作者：贾山（１９８３ ），南京航空航天大学讲师，主要从事着陆缓冲系统与航天器结构研究㊂ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｉａｓｈａｎａｚｚ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ新型多级铝蜂窝缓冲器的缓冲性能研究与分析陈金宝１，２，３，钱佳程１，贾山１，２，３，周金华１，徐雅男１１．南京航空航天大学航天学院，江苏南京㊀２１００１６；２．航天进入减速与着陆技术实验室，江苏南京㊀２１００１６；３．深空星表探测机构技术工信部重点实验室，江苏南京㊀２１００１６æèçöø÷摘㊀要：为提升行星探测器着陆缓冲过程的安全性与稳定性，提出了一种新型结构的多级铝蜂窝缓冲器，该缓冲器属于双向拉压缓冲器，具有结构简单㊁可靠性强㊁通用化程度高等特点㊂通过Ａｎｓｙｓ／Ｌｓ⁃ｄｙｎａ对３种材料的三级铝蜂窝缓冲进行冲击仿真实验，并与传统的２种材料的三级铝蜂窝进行对比，其结果表明在一级铝蜂窝压缩完成后，冲击平台反向加速度峰值明显降低，且加速度变化曲线较为顺滑，有利于提高行星探测器着陆过程中整体安全特性㊂在此基础之上，考虑到实际结构工程应用，对３种材料的三级铝蜂窝进行旋转正交组合实验，选取一种最具有合理性的搭配方案㊂将该搭配方案应用于新构型的整机环境中利用Ａｄａｍｓ进行冲击仿真，并与传统悬臂式着陆器的仿真结果进行对比分析以验证其缓冲性能㊂关㊀键㊀词：着陆缓冲；缓冲器；多级铝蜂窝；反向加速度；整机仿真中图分类号：Ｖ４７６．３㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１０００⁃２７５８（２０２０）Ｓ０⁃０００１⁃０６㊀㊀缓冲器作为行星探测器着陆过程中最重要的吸能装置，承担着吸收大部分冲击动能以及保护行星探测器的本体结构和有效载荷不受到冲击破坏的任务㊂铝蜂窝作为缓冲器的重要组成部分，利用其结构变形来实现吸收冲击动能的目的［１⁃５］㊂铝蜂窝是一种多孔固体材料，具有密度低㊁压溃强度弱㊁压缩变形大且空间适应性强等优点㊂在许多工程领域，特别是航天工程领域得到了广泛的应用，例如阿波罗１１号月球探测器㊁嫦娥三号㊁嫦娥四号月球探测器㊂因此铝蜂窝缓冲性能的优化对行星探测器具有重要意义，国内国防科技大学李翔城等［６］对组合式铝蜂窝缓冲结构进行了研究，为缓冲吸能结构的优化设计提供新的选择方式㊂文献［７］对２种材料的铝蜂窝进行了多级搭配仿真，研究得出三级铝蜂窝具有最优良的缓冲吸能特性㊂本文首先以新型多级蜂窝缓冲器作为研究对象，在此构型的基础上进行了３种材料的三级铝蜂窝的仿真实验，并与文献［７］中的２种材料的三级铝蜂窝的搭配仿真结果进行分析对比；其次将三级铝蜂窝进行旋转正交组合仿真实验，进而对多级铝蜂窝缓冲器进行优化设计，为实际应用提供一种可行性方案㊂并将这种可行性方案应用到一定质量的新构型着陆器本体上做多种工况下的仿真分析，与传统悬臂梁式的探月着陆器做相应的对比分析以验证缓冲性能，为后续工程实施提供技术支撑㊂１　新型缓冲器的基本构型与原理缓冲器的设计由两块核心内容组成：缓冲设计和强度设计［８］㊂在缓冲设计部分，铝蜂窝具有密度低㊁压溃强度弱㊁压缩变形大且空间适应性强等优点㊂图１㊀双向拉压多级蜂窝缓冲器西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第３８卷如图１所示，为一种新型的双向拉压多级蜂窝缓冲器，通过在内筒内部设有压缩吸能材料㊁在外筒内部设有拉伸吸能材料，以及在外筒内部设置凸台㊁双向拉压杆㊁压缩装置相配合的设计，实现了行星着陆缓冲器在着陆过程中的拉压双向吸能㊂具体工作原理：当缓冲器在冲击作用下受拉时，拉力通过万向节连接件拉动双向拉压杆的凸台对缓冲器外筒产生作用，使得外筒和内筒产生相对滑动，在滑动过程中外筒底部端盖压缩外筒多级铝蜂窝，外筒多级铝蜂窝吸收冲击动能；当缓冲器在冲击作用下受压时，压力通过万向节连接件传递给双向拉压杆，双向拉压杆通过底部圆盘对内筒多级铝蜂窝进行压缩，内筒多级铝蜂窝吸收冲击动能㊂其相对于传统缓冲器而言结构简单，可靠性㊁通用化程度高㊂在结构设计上基于新型多级蜂窝缓冲器的探月着陆器相对于传统构型着陆器而言，具有一定的特殊性，图２所示为新构型着陆器示意图㊂图２㊀基于新型多级蜂窝缓冲器的探月着陆器２㊀缓冲材料的选择根据铝蜂窝结构压缩特性，可将其压缩过程分为异面压缩和面内压缩㊂如图３所示，沿着ｚ方向压缩即为异面压缩，沿着ｘ，ｙ方向即为面内压缩㊂由于异面压缩时产生的平均应力远远大于面内压缩时产生的平均应力［９］，所以通常情况下，在铝蜂窝缓冲器中，由铝蜂窝来承受异面压缩方向的冲击载荷㊂图３㊀铝蜂窝材料异面方向示意图图４㊀探测器（总质量１８００ｋｇ）反向加速度曲线［７］文献［１０］中利用Ｈｅｘｗｅｂ公司的２种强度的铝蜂窝串联作为缓冲器的二级缓冲材料，以研究分析二级铝蜂窝缓冲装置的缓冲特性㊂而文献［７］在选取Ｈｅｘｗｅｂ公司的２种强度的铝蜂窝作为缓冲材料的基础上，又对三级，四级和五级进行仿真分析，确定最佳吸能缓冲级数为三级㊂但是，上述三级蜂窝缓冲器仅仅局限于２种材料的铝蜂窝，且其仿真结果如图４所示㊂在当第一级蜂窝材料完全压缩时，探测器反向加速度发生突变，造成探测器过载突然增大，容易对探测器本体及有效载荷产生不利影响，且如若针对载人探测器而言，其内部宇航员具有不太良好的舒适度，或对宇航员身体造成损伤㊂在这一情况下，为缓和探测器反响加速度发生突变的情况，在２种材料的铝蜂窝之间再添加一种强度适中的铝蜂窝材料作为搭配，如表１所示㊂表１㊀铝蜂窝材料参数表［１１］型号ＥＸ／ＧＰａＥＹ／ＧＰａＥＺ／ＧＰａＧＸＹ／ＧＰａＧＸＺ／ＧＰａＧＹＺ／ＧＰａＨｅｘｗｅｂ１／４⁃５０５２⁃０．００１⁃２．１１．３ˑ１０－３１．３ˑ１０－３１．６３０．３００．１５０．２２Ｈｅｘｗｅｂ１／４⁃５０５２⁃０．００１５⁃２．３２．３ˑ１０－３２．３ˑ１０－３１．７５０．３５０．１８０．２６Ｈｅｘｗｅｂ１／４⁃５０５２⁃０．００１５⁃３．４３．１ˑ１０－３３．１ˑ１０－３２．１８０．４００．２００．３０２增刊陈金宝，等：新型多级铝蜂窝缓冲器的缓冲性能研究与分析３　仿真分析验证根据文献［１２］所给出的着陆冲击模型及参数确定方法，选用探测器本身四分之一质量对铝蜂窝进行异面冲击（因为探测器本身如果为四腿结构，主缓冲支柱和辅助缓冲支柱分别承担纵向和横向载荷，竖向冲击主要靠主缓冲支柱来吸收，每条主缓冲支柱承担约四分之一的冲击质量），在Ａｎｓｙｓ／Ｌｓ⁃ｄｙｎａ软件中进行简化建模，利用Ｌｓ⁃ｐｒｅｐｏｓｔ进行后处理，简化模型见图５，质量块同样设为４５０ｋｇ，压缩完成后的状态如图６所示，仿真结果可得质量块的反向加速度如图７所示㊂图５㊀三级蜂窝缓冲㊀㊀㊀㊀图６㊀冲击压缩完成后的装置简化模型有限元模型图７㊀冲击平台反向加速度曲线该仿真结果与先前两种材料的铝蜂窝搭配的三级蜂窝缓冲器对比，其冲击平台加速度最大值明显降低，且其冲击平台反应加速度曲线也更为平滑㊂由此可见，在强弱铝蜂窝间添加一种过渡性材料则更有利于减小在弱蜂窝铝材压缩量达到最大时突变加速度的变化峰值㊂但是，为了适应新型双向拉压多级蜂窝缓冲器的需求，需要将三级铝蜂窝的内外径，强中弱３种蜂窝的厚度，搭配出一种最优解，即三级铝蜂窝压缩量达到最大，且冲击平台反向加速度的最大值最小㊂针对上述问题，采用旋转正交组合实验对三级铝蜂窝进行搭配仿真实验㊂利用旋转正交组合方案进行实验具有较强的代表性，能够比较全面地反映各因素水平对指标影响的大致情况，具有均衡分散性和整体可比性，能减少实验次数，使计算分析大为简化［１３］㊂将压缩行程仿真结果导入到Ｄｅｓｉｇｎ⁃Ｅｘｐｅｒｔ软件进行验证其结果是否收敛［１４］，如图８所示，验证可得其仿真结果在合理范围之内，具有收敛性㊂且当三级铝蜂窝整个行程为７５０ｍｍ，弱蜂窝（Ｈｅｘｗｅｂ１／４⁃５０５２⁃０．００１⁃２．１）长度为３００ｍｍ，中蜂窝（Ｈｅｘｗｅｂ１／４⁃５０５２⁃０．００１５⁃２．３）长度为２５０ｍｍ，强蜂窝（Ｈｅｘｗｅｂ１／４⁃５０５２⁃０．００１５⁃３．４）长度为２００ｍｍ时，其压缩行程最长，且其压缩完一级弱蜂窝时达到加速度最大值，相较于传统的２种材料的铝蜂窝组成的三级铝蜂窝而言，加速度峰值明显降低㊂图８㊀压缩行程残差正态图在对多级铝蜂窝的搭配方式进行优化后，需要将优化结果应用到整机环境中，其整机多体动力学模型在ＡＤＡＭＳ中建立，如图９所示㊂与传统悬臂梁式的探月着陆器机体质心反向加速度做相应的对比分析以验证缓冲性能，其模型如图１０所示㊂为了对铝蜂窝的压溃力模拟，建立２个摩擦块，利用摩擦力来模拟铝蜂窝压溃［１４］㊂建模方法：内筒与两摩擦块建立接触副，２个摩擦块之间建立平面副，且均与外筒存在滑移副，方向沿内筒轴向，并且存在摩擦，图１１展示了铝蜂窝的摩擦块建模形式㊂在工况１环境中，质心加速度响应极限工况下着陆器机体姿３西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第３８卷态为四腿同时着地，其触地速度为４ｍ／ｓ，本体质量为１６００ｋｇ，引力环境为１．６３ｍ／ｓ２，本体质心加速度如图１２所示，着陆器足垫触地后，通过铝蜂窝压溃进行吸能减速㊂传统构型的铝蜂窝着陆器，其最大质心加速度出现在０．０６２ｓ，ａｍａｘ＝４０．８ｍ／ｓ２，新构型的多级铝蜂窝缓冲着陆器，其最大质心加速度出现在０．０５６ｓ，ａｍａｘ＝３６．２ｍ／ｓ２㊂图９㊀新构型探月着陆器多体动力㊀㊀图１０㊀传统构型探月着陆器多体动㊀㊀图１１㊀铝蜂窝压溃模拟示意图学模型（四腿同时着地）力学模型（四腿同时着地）图１２㊀本体质心加速度（四腿同时着地）图１３和图１４分别展示了 ２⁃２ 着陆条件下新构型探月着陆器和传统构型探月着陆器的多体动力学模型，其着陆条件为：触地速度为４ｍ／ｓ，本体质量为１６００ｋｇ，月面坡度８ʎ，引力环境为１．６３ｍ／ｓ２，本体质心加速度如图１５所示，着陆器足垫触地后，通过铝蜂窝压溃进行吸能减速㊂传统构型的铝蜂窝着陆器，其最大质心加速度出现在０．０５２ｓ，ａｍａｘ＝５４．８ｍ／ｓ２，新构型的多级铝蜂窝缓冲着陆器，其最大质心加速度出现在０．２２４ｓ，ａｍａｘ＝４９．３ｍ／ｓ２㊂图１３㊀新构型探月着陆器㊀图１４㊀传统构型探月着陆器多体动力学模型多体动力学模型（ ２⁃２ 式着地）（ ２⁃２ 式着地）图１５㊀本体质心加速度（ ２⁃２ 式着地）图１６和图１７分别展示了 １⁃２⁃１ 着陆条件下新构型探月着陆器和传统构型探月着陆器的多体动力学模型，其着陆条件为：触地速度为４ｍ／ｓ，本体质量１６００ｋｇ，月面坡度８ʎ，引力环境为１．６３ｍ／ｓ２，本体质心加速度如图１８所示，着陆器足垫触地后，通过铝蜂窝压溃进行吸能减速㊂传统构型的铝蜂窝着陆器，其最大质心加速度出现在０．０９８ｓ，ａｍａｘ＝４１ｍ／ｓ２，新构型的多级铝蜂窝缓冲着陆器，其最大质心加速度出现在０．２８９ｓ，ａｍａｘ＝３４．７ｍ／ｓ２㊂图１６㊀新构型探月着陆器㊀图１７㊀传统构型探月着陆器多体动力学模型多体动力学模型（ １⁃２⁃１ 式着地）（ １⁃２⁃１ 式着地）４增刊陈金宝，等：新型多级铝蜂窝缓冲器的缓冲性能研究与分析图１８㊀本体质心加速度（ １⁃２⁃１ 式着地）将仿真结果进行对比分析，结果表明：在多种工况的着陆条件下，基于新型多级蜂窝缓冲器的探月着陆器的本体质心加速度普偏低于传统悬臂式着陆器，特别是在极端工况下，其最大质心加速度的响应时间低于传统悬臂式着陆器，这对于着陆器本体而言，更有利于其大大降低在着陆过程中出现的损伤㊂为后续工程实施及未来新着陆构型的设计提供技术支撑㊂４㊀结㊀论基于Ａｎｓｙｓ／Ｌｓ⁃ｄｙｎａ有限元软件，在传统２种强度铝蜂窝的材料的基础之上再添加一种强度的铝蜂窝材料进行过渡，对这种搭配方式的多级铝蜂窝进行仿真，并将优化后的搭配方案应用于整机环境中，该整机模型基于Ａｄａｍｓ仿真软件进行多条件多工况下的仿真，其验证结果如下：１）在传统三级铝蜂窝缓冲器上添加另一种强度的铝蜂窝材料进行过渡后，以同样尺寸和质量的冲击平台对其进行冲击，经研究对比发现其相对于传统三级铝蜂窝缓冲器缓冲吸能特性更加良好，且在一级铝蜂窝压缩完成后，冲击平台反响加速度没有明显的突变，且其峰值也降低了不少，有利于降低探测器着陆过程中的损伤㊂２）将新型的三级蜂窝缓冲器，从铝蜂窝厚度尺寸，内外径大小等方面进行搭配，这里采用了旋转正交组合实验，对多级铝蜂窝缓冲器进行优化设计，为实际应用选取了一种最具有合理性的搭配方案㊂３）将优化后的搭配方案应用于整机环境中，在四腿同时着地 ， ２⁃２式着地 ， １⁃２⁃１式着地 工况下进行仿真验证，基于新型多级蜂窝缓冲器的探月着陆器是完全可行的，且其缓冲性能相对于传统悬臂式着陆器而言具有一定的优越性㊂参考文献：［１］㊀ＹＡＭＳＨＩＴＡＭ，ＧＯＴＯＨＭ．ＩｍｐａｃｔＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＨｏｎｅｙｃｏｍｂＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｉｔｈＶａｒｉｏｕｓＣｅｌｌＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ⁃ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｍｐａｃｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，３２（１／２／３／４）：６１８⁃６３０［２］㊀ＨＯＮＧＳＴ，ＰＡＮＪ，ＴＹＡＮＴ．Ｑｕａｓｉ⁃ＳｔａｔｉｃＣｒｕｓｈＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍＨｏｎｅｙｃｏｍｂＳｐｅｃｉｍｅｎｓｕｎｄｅｒＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＤｏｍｉｎａｎｔＣｏｍｂｉｎｅｄＬｏａｄｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｌａｓｔｉｃｉｔｙ，２００６，２２（６）：１０６２⁃１０８８［３］㊀ＺＨＯＵＱＱ，ＭＡＹＥＲＲＲ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍＨｏｎｅｙｃｏｍｂＭａｔｅｒｉａｌＦａｉｌｕｒｅｉｎＬａｒｇｅＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，Ｓｈｅａｒ，ａｎｄＴｅａｒｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，１２４（４）：４１２⁃４２０［４］㊀ＤＯＥＮＧＩＦ，ＢＵＲＮＡＧＥＳＴ，ＣＯＴＴＡＲＤＨ．ＬａｎｄｅｒＳｈｏｃｋ⁃ＡｌｌｅｖｉａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｒ］．ＥＳＡＢｕｌｌｅｔｉｎ９３，１９９８［５］㊀王闯．四腿桁架式月球着陆装置设计及其着陆缓冲技术研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２００８ＷＡＮＧＣｈｕａｎｇ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＬａｎｄｉｎｇＢｕｆｆｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＦｏｕｒ⁃ＬｅｇＴｒｕｓｓｅｄＬｕｎａｒＬａｎｄｉｎｇＤｅｖｉｃｅ［Ｄ］．Ｈａｒｂｉｎ：ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［６］㊀李翔城，林玉亮，卢芳云，等．两种二级铝蜂窝结构缓冲吸能特性研究［Ｊ］．中国测试，２０１６，４２（１０）：１００⁃１０６ＬＩＸｉａｎｇｃｈｅｎｇ，ＬＩＮＹｕｌｉａｎｇ，ＬＵＦａｎｇｙｕｎ，ｅｔａｌ．ＳｔｕｄｙｏｎＥｎｅｒｇｙＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＴｗｏＳｅｃｏｎｄａｒｙＡｌｕｍｉｎｕｍＨｏｎｅｙｃｏｍｂＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＴｅｓｔ，２０１６，４２（１０）：１００⁃１０６（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［７］㊀卢志强．载人登月飞行器用多级蜂窝缓冲器及全机软着陆冲击研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１５ＬＵＺｈｉｑｉａｎｇ．Ｍｕｌｔｉ⁃ＳｔａｇｅＨｏｎｅｙｃｏｍｂＢｕｆｆｅｒａｎｄＩｍｐａｃｔｏｆＳｏｆｔＬａｎｄｉｎｇｏｎＭａｎｎｅｄＬｕｎａｒＬａｎｄｉｎｇＶｅｈｉｃｌｅ［Ｄ］．Ｈａｒｂｉｎ：ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１５（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［８］㊀杨建中，曾福明，满剑锋，等．嫦娥三号着陆器着陆缓冲系统设计与验证［Ｊ］．中国科学：技术科学，２０１４，４４（５）：４４０⁃４４９５西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第３８卷ＹＡＮＧＪｉａｎｚｈｏｎｇ，ＺＥＮＧＦｕｍｉｎｇ，ＭＡＮＪｉａｎｆｅｎｇ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＬａｎｄｉｎｇＢｕｆｆｅｒＳｙｓｔｅｍｆｏｒＣＥ⁃３Ｌａｎｄｅｒ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅｏｆＣｈｉｎａ：ＴｅｃｈｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ，２０１４，４４（５）：４４０⁃４４９（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［９］㊀ＧＩＢＳＯＮＬＪ，ＡＳＨＢＹＭＦ．ＣｅｌｌｕｌａｒＳｏｌｉｄ：ＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｍ］．２ｎｄｅｄ．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：ＣａｍｂｒｉｄｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，１９９７［１０］陈金宝，聂宏，赵金才，等．月球探测器软着陆缓冲机构着陆性能分析［Ｊ］．宇航学报，２００８（６）：１７２９⁃１７３２ＣＨＥＮＪｉｎｂａｏ，ＮＩＥＨｏｎｇ，ＺＨＡＯＪｉｎｃａｉ，ｅｔａｌ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬａｎｄｉｎｇＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＬｕｎａｒＰｒｏｂＳｏｆｔＬａｎｄｉｎｇＢｕｆｆｅｒＭｅｃｈａｎｉｓｍ［Ｊ］．ＡｃｔａＡｓｒｏｎａｕｔｉｃａ，２００８（６）：１７２９⁃１７３２（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１１］ＨｅｘＷｅｂ．ＨｅｘＷｅｂＴＭＨｏｎｅｙｃｏｍｂＥｎｅｒｇｙＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓＤｅｓｉｇｎＤａｔｅ［ＥＢ／ＯＬ］（２００５⁃０８⁃１５）［２０２０⁃０３⁃１５］．ｈｔｔｐ：ʊｗｗｗ．ｈｅｘｃｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．ｃｏｍ／Ｍａｒｋｅｔｓ／Ｐｒｏｄｕｃｔｓ／Ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ［１２］叶民镇．地面撞击模型建模及相关参数确定［Ｊ］．工程力学，２００６，２３（１０）：１０７⁃１１０ＹＥＭｉｎｚｈｅｎ．ＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＧｒｏｕｎｄＩｍｐａｃｔＭｏｄｅｌａｎｄＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＲｅｌａｔｅｄＰａｒａｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２００６，２３（１０）：１０７⁃１１０（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１３］刘颖，王海燕．试验设计与分析［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５ＬＩＵＹｉｎｇ，ＷＡＮＧＨａｉｙａｎ．ＴｅｓｔＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，２００５（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１４］ＮＯＨＭＩＭ，ＭＩＹＡＨＡＲＡＡ．ＭｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒＬｕｎａｒＬａｎｄｅｒｂｙＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｙｎａｍｉｃｓＳｏｆｔｗａｒｅ［Ｃ］ʊＡＩＡＡＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔ，Ｒｅｓｔｏｎ，２００５ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｕｓｈｉｏｎｉｎｇＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＮｅｗＭｕｌｔｉｓｔａｇｅＡｌｕｍｉｎｕｍＨｏｎｅｙｃｏｍｂＢｕｆｆｅｒＣＨＥＮＪｉｎｂａｏ１，２，３，ＱＩＡＮＪｉａｃｈｅｎｇ１，ＪＩＡＳｈａｎ１，２，３，ＺＨＯＵＪｉｎｈｕａ１，ＸＵＹａｎａｎ１１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ；２．ＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｎｔｅｒｓＤｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄＬａｎｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ；３．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＤｅｅｐＳｐａｃｅＡｓｔｒｏｎｏｍｙＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＡｇｅｎｃｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，㊀㊀Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａæèççççöø÷÷÷÷Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓａｆｅｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｌａｎｅｔａｒｙｄｅｔｅｃｔｏｒｄｕｒｉｎｇｔｈｅｌａｎｄｉｎｇｂｕｆｆｅｒｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｏｖｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍｕｌｔｉ⁃ｓｔａｇｅａｌｕｍｉｎｕｍｈｏｎｅｙｃｏｍｂｂｕｆｆｅｒｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｂｕｆｆｅｒｂｅｌｏｎｇｓｔｏａｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｆｆｅｒｔｈａｔｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅ⁃ｓｔａｇｅａｌｕｍｉｎｕｍｈｏｎｅｙｃｏｍｂｂｕｆｆｅｒｏｆｔｈｒｅｅｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｓｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙＡｎｓｙｓ／Ｌｓ⁃ｄｙｎａ．Ｃｏｍｐａｒｅｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｈｒｅｅ⁃ｓｔａｇｅａｌｕｍｉｎｕｍｈｏｎｅｙｃｏｍｂｏｆｔｗｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｉｍａｒｙａｌｕｍｉｎｕｍｈｏｎｅｙｃｏｍｂｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ｔｈｅｒｅｖｅｒｓｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｐｅａｋｏｆｔｈｅｉｍｐａｃｔｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｉｓｓｍｏｏｔｈｅｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓａｆｅｔｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｐｌａｎｅｔａｒｙｄｅｔｅｃｔｏｒｄｕｒｉｎｇｌａｎｄｉｎｇ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅａｃｔｕａｌｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｔｅｓｔｏｆｔｈｒｅｅｍａｔｅｒｉａｌｓｏｆｔｈｒｅｅ⁃ｓｔａｇｅａｌｕｍｉｎｕｍｈｏｎｅｙｃｏｍｂｈａｓｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｓｅｌｅｃｔｔｈｅｍｏｓｔｒｅａｓｏｎａｂｌｅｍａｔｃｈｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ．ＴｈｅｃｏｌｌｏｃａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｎｅｗｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｍａｃｈｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｕｓｉｎｇＡｄａｍｓｆｏｒｉｍｐａｃｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｌａｎｄｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｔｏｖｅｒｉｆｙｉｔｓｃｕｓｈｉｏｎｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｎｄｉｎｇｂｕｆｆｅｒ；ｂｕｆｆｅｒ；ｍｕｌｔｉ⁃ｓｔａｇｅａｌｕｍｉｎｕｍｈｏｎｅｙｃｏｍｂ；ｒｅｖｅｒｓｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ；ｍａｃｈｉｎｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ６。

浅谈蜂窝夹层复合材料应用及成型工艺作者：范雨娇王维维来源：《新材料产业》2020年第06期1 蜂窝夹层复合材料及其优势复合材料由于其优异的性能近年已备受关注。

蜂窝夹层结构是一种复合材料结构形式，通常由2层或多层蒙皮（也称为“面板”）之间夹以一层轻质蜂窝夹芯并采用胶黏剂在一定温度和压力下复合成一个整体刚性结构（见图1）。

其主要包括复合材料蒙皮材料、蜂窝材料和胶粘剂材料。

目前的蒙皮材料根据固化温度可分为高温、中温、常温材料，按照材料体系可分为环氧树脂体系、氰酸酯树脂体系及双马树脂体系等。

蜂窝材料包括纸蜂窝、铝蜂窝、Nomex蜂窝等。

胶粘剂按照固化温度不同包括常温胶黏剂、中温胶粘剂、高温胶粘剂等。

蜂窝夹层复合材料由所选用的蒙皮材料及蜂窝材料匹配胶粘剂材料进行设计，可以满足航空航天、汽车等领域的具体需求。

蜂窝夹层复合材料具备着复合材料的特点，并且由于其选用了蜂窝材料及其特殊的结构形式，也更扩宽了其应用的范围提升了其优势，蜂窝夹层复合材料具有以下特点：①质量轻，比强度高，尤其是抗弯刚度高，同等质量的蜂窝夹层结构复合材料其抗弯刚度约为铝合金的5倍。

②具有较高的表面平面度，且可以制备出形状复杂的曲面结构；可以制造成双曲、单曲面板，制成车辆零部件后拆装方便。

③可吸收震动能量，能够具备隔音降噪、减震等效果；蜂窝夹层结构复合材料，内部含有大量的密闭蜂窝孔格，其内部充满大量空气，而气体相比固体的传播介质，具有更为出色的隔音、隔热效果。

④具有复合材料的耐腐蚀、绝缘性和环境适应性。

⑤具有可设计性，可根据实际需要选取具有相应功能的材料，如防火、自熄、耐温等材料。

并可根据实际使用工况对材料的结构进行设计。

⑥优异的成型制造工艺性，可以满足各类形状复杂、稳定性要求高的零部件成型制造方法。

2 蜂窝夹层复合材料的应用2.1 蜂窝夹层复合材料在航天领域的应用蜂窝夹层复合材料由于其具有弯曲强度大、抗剪切失稳能力强、质量轻的优势，被广泛应用于对性能和重量有特殊要求的航天、航空结构中。

铝蜂窝夹层的性能及应用贺中亮赵会民刘建春李少华吴苗（西安雅西复合材料有限公司，710089，西安，陕西）摘要：本文综述了夹层复合材料用铝蜂窝芯的性能及其应用，与泡沫夹层在力学性能等方面综合对比分析，并展望了铝蜂窝芯的发展及应用前景。

关键词：铝蜂窝；泡沫夹层；性能Properties and applications of aluminum honeycomb sandwichHe Zhongliang, Zhao Huimin , Liu Jianchun, Li Shaohua Wu Miao（Argosy XAC Composite Materials Ltd. Xi’an, Shaanxi, 710089, China）Abstract This paper reviews Properties and applications on aluminum honeycomb sandwich materials, Comparative Analysis on mechanical property with foam sandwich and gives the applied prospect of aluminum honeycomb sandwich.Key words aluminum honeycomb; foam sandwich; Properties引言金属蜂窝是金属骨架和蜂窝孔相间的一种新型功能复合材料，因其内部结构含有许多蜂窝状直通孔而得名。

铝蜂窝芯是由多层铝箔粘合，叠压，然后拉伸展开成规则的蜂窝形状。

由于铝蜂窝芯的特殊构造，其分割成的众多封闭小室限制了由其合成的幕墙板内空气的流动，使热量和声波的传播受到极大的限制，具有良好的隔热、隔音、导电、耐热防腐、吸能减震，保温效果，同时它的抗弯挠、抗压性和比重轻等特性也使其他建筑材料无法比拟的。

作为蜂窝家族中的“贵族”，铝蜂窝有着非常优异的性能，它强度高、耐高温、耐腐蚀，是航空、航天、高速船舶、高速列车等行业的理想材料，在建筑业是大尺寸幕墙和对阻燃要求高的室内豪华装修的首选材料。

V ol 35No.5Oct.2015噪声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第35卷第5期2015年10月文章编号：1006-1355(2015)05-0065-04整流罩声振试验蜂窝夹层板建模方法韩敬永1，于开平1，宋海洋1，杨雨超2（1.哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001；2.中国燃气涡轮研究院，成都610000）摘要：针对整流罩主体结构由蜂窝板结构构成的特点，在使用统计能量分析法进行整流罩结构高频振动噪声环境预示研究时，重点对蜂窝夹层板建模的三明治夹芯板理论、等效板理论和蜂窝板理论三种等效方法进行比较分析。

采用蜂窝夹层板的三种不同等效理论对整流罩整尺度结构进行统计能量分析建模，并将预示结果与在混响室内进行的该整流罩声振实验结果进行对比，分析表明三明治夹芯板理论更适用于研究蜂窝板的高频振动特性。

关键词：声学；整流罩；蜂窝夹层板；三明治夹芯板理论；噪声振动预示中图分类号：TB533+.3文献标识码：ADOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.013Study on the Modeling Methods of Honeycomb Sandwich PanelsBased on Fairing Vibroacoustic ExperimentsHAN Jing-yong 1,YU Kai-ping 1,SONG Hai-yang 1,YANG Yu-chao 2(1.School of Astronautics,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;2.China Gas Turbine Establishment,Chengdu 610000,China )Abstract :Three modeling methods of honeycomb panels were studied.The sandwich theory,equivalent plate theory and honeycomb plate theory were compared one another using statistical energy analysis for prediction of high-frequency noise and vibration environment of faring structures.The statistical energy analysis models based on the three equivalent theories were established for the whole-scale fairing structure.The prediction results were compared with the experimental data tested in a reverberation chamber.This study indicates that the sandwich theory is more suitable for studying the high-frequency vibration characteristics of the honeycomb panels than the others.Key words :acoustics ;fairing ;honeycomb sandwich panel ;sandwich theory ;noise and vibration prediction整流罩结构用于保护航天器有效载荷，在发射起飞阶段要经受非常严酷的力学环境。