Page 19 - 理化检验-物理分册2022年第十一期

王树宏, 等: 太阳翼蜂窝夹层结构上蒙皮热变形的影响因素

表 1 碳纤维网格面板和聚酰亚胺薄膜材料的性能参数
弹性模量 / GPa 泊松比 剪切模量 / GPa 热膨胀系数 /( ×10 -6 )
材料
E 1 E 2 υ 12 G 12 G 13 G 23 α 1 α 2 α 3
M55J型碳纤维 290 10 0.27 4.5 4.5 2.1 -1 35 35
聚酰亚胺 2.5 2.5 0.3 - - - 35 35 35

铝蜂窝为边长为 0.03mm 的六边形蜂窝, 压紧

衬套材料为钛合金, 内径为 30mm , 壁厚为 2 mm ,
胶膜厚度为0.15mm 。铝蜂窝、 胶膜、 发泡胶和钛合

金材料的性能参数如表 2 所示。
表 2 铝蜂窝、 胶膜、 发泡胶和钛合金材料的性能参数
材料 弹性模量 / GPa 泊松比 热膨胀系数 /( ×10 -6 )
铝蜂窝 70 0.3 21.0
胶膜 3 0.3 50.0
发泡胶 1 0.3 50.0
钛合金 10 0.3 10.6
图 5 蜂窝区域的边界条件示意
2 蜂窝夹层结构模型及边界条件 采用 四 边 形 壳 单 元 ( S4R ) 模 拟, 单 元 数 分 别 为

15769 , 8049 , 136764 , 节 点 数 分 别 为 15529 ,
2.1 蜂窝区域 10176 , 135 253 ; 发 泡 胶 采 用 二 次 四 面 体 单 元

蜂窝夹层结构的蜂窝区域由铝蜂窝和蒙 皮组
( C3D10 ) 模 拟, 单 元 数 为 358 898 , 节 点 数 为

成, 尺 寸 为 100 mm×87 mm×22.65 mm ( 长 ×
461970 ; 压紧衬套采用二次四面体单元( C3D10 ) 模
宽 × 高), 有限元模型如图 4 所示, 可知上、 下蒙皮以
拟, 单元数为 28277 , 节点数为 44096 。
及铝蜂窝均采用四边形壳单元( S4R ) 模拟, 单元数
蒙皮与铝蜂窝均为各向异性材料, 压紧衬套区

分别 为 36400 , 21025 , 160636 , 节 点 数 分 别 为
域的边界条件如图 7 所示, 定义蜂窝夹层结构平面

36261 , 24623 , 161371 。
法向为材料的法向, 定义蜂窝夹层结构 x 轴方向为
蒙皮与铝蜂窝均为各向异性材料, 蜂窝区域的
材料的主轴方向, 压紧衬套内下边缘约束法向位移,
边界条件如图 5 所示, 定义蜂窝夹层结构平面法向
压紧衬套左下方b 点为固定约束, 平面 1 施加对称
为材料的法向, 定义蜂窝夹层结构 x 轴方向为材料
约束, 对称面为垂直 y 轴的平面, 平面 2 施加对称
的主轴方向, 在蜂窝左下方碳纤维上a 点添加固定
约束, 对称面为垂直x 轴的平面。
约束, 蜂 窝 两 侧 的 平 面 沿 x 轴 和 y 轴 施 加 对 称
约束。

图 6 压紧衬套区域的有限元模型示意

图 4 蜂窝区域的有限元模型示意 3 热变形仿真分析
2.2 压紧衬套区域 3.1 蜂窝区域
蜂窝夹层结构的压紧衬套区域由压紧衬套、 发 在上述蜂窝区域的约束条件下, 将加热温度由

泡胶、 铝蜂 窝 以 及 蒙 皮 等 组 成, 尺 寸 为 210 mm× 130 ℃ 降为 20 ℃ , 然后对蜂窝区域的热变形情况进

218.24mm×22.65mm ( 长 × 宽 × 高), 有限元模型 行仿真分析, 结果如图 8 所示。由图 8 可知: 约束位
如图 6 所示。由图 6 可知: 上、 下蒙皮以及铝蜂窝均 置处位移为 0 , 蜂窝夹层结构整体向法向一侧内缩;
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