铝蜂窝板结构：等效模拟仿真新境界

铝蜂窝结构是一种芯层复合结构，具有均匀周期性分布的特征，通常由上下面板和中间的蜂窝芯层构成。此类结构具有比强度高、比刚度大、重量轻、优秀的隔热隔振性能等优点，因此，在航空航天及车辆交通等领域获得了广泛的应用。

由于铝蜂窝材料的离散非均匀性，对其进行力学分析较为困难，因此为了简化分析，工程上通常采用等效法将其等效为一均质正交各向异性材料，通过建立蜂窝芯层的等效参数，对其进行等效模拟仿真。蜂窝芯层等效参数分为面内等效参数（ $E_{1}$E_{1} 、 $E_{2}$E_{2} 、 $\gamma_{12}$\gamma_{12} 、 $\gamma_{21}$\gamma_{21} ）和面外等效参数（ $E_{3}$E_{3} 、 $G_{13}$G_{13} 、 $G_{23}$G_{23} ）和面外非线性等效参数。

下面介绍基于HyperWorks-OptiStruct求解器下的等效模拟仿真过程。

• 几何模型建立

在Ansys Workbench-Material Designer组件模块下建立蜂窝结构，该模块可以通过设置壁厚、六边形边长、蜂窝芯层高度、阵列个数，对蜂窝结构进行快速创建。

创建好蜂窝芯层结构后，可以将其导入solidworks，画两张尺寸合适的蒙皮薄板，将其上下表面封盖住，这里可以用装配体对蜂窝芯层和蒙皮进行配合。结构尺寸确定后，我们根据蜂窝板结构的尺寸建立等效结构的模型，等效结构为实体薄板。

• 有限元模型建立

将几何结构导入HyperMesh中，进行网格划分、材料参数创建、属性创建、载荷及边界条件创建、分析类型设置，对两种结构进行线性静力分析。

在Hypermesh中进行网格划分，通过2D-automesh面板可以对面进行网格的自动划分，如果要画3D网格，可以通过solid map对实体进行网格划分，本文的等效结构就可以通过这种方式进行实体网格划分。网格划分完成后，要通过Mask的隐藏显示2D/3D的功能，对2D网格进行删除，只保留solid map创建的实体网格。对于蜂窝板结构的网格划分，采用tetramesh进行实体网格划分。（HyperMesh网格划分功能之后会单独写专栏文章详细介绍）

材料参数和属性的创建可以通过二次开发的代码实现，当然该部分也可以手动创建，在蜂窝板结构中，反正就是创建铝的材料参数，创建属性选用PSOLID卡片，因为我们网格划分的是实体单元，如果采用二维网格，则应选用PSHEEL卡片。在等效结构中，材料的创建也通过二次开发代码，等效的精髓就是在材料参数中体现的，材料等效参数balabala那一堆公式都放在代码里，根据蜂窝结构的形状，有对应的材料参数等效公式。材料参数创建好后，我们把中间的板赋予这个等效后的正交各项异性材料，上下蒙皮保持原来的铝材料。这里面有个点需要注意，对于正交各向异性材料，我们需要给它一个材料坐标系，这样它才能知道正交各向异性的三个方向x、y、z的哈。

在load collector中创建载荷（pressures）与边界条件(constraints)，我们采用两端简支、上表面均布压力的条件，在load step中选用Linear Static分析类型，SPC与LOAD分别选用前面创建的约束和外力。

• 提交OptiStruct求解器求解

求解后用Hyperview后处理查看结果。

备注：下附创建铝的材料和属性的二次开发代码

*createentity mats cardimage=MAT1 includeid=0 name="material1"
*clearmark materials 1
*startnotehistorystate {Renamed Material from "material1" to "al"}
*setvalue mats id=1 name=al
*endnotehistorystate {Renamed Material from "material1" to "al"}
*startnotehistorystate {Modified E of Material}
*setvalue mats id=1 STATUS=1 1=72000
*endnotehistorystate {Modified E of Material}
*startnotehistorystate {Modified NU of Material}
*setvalue mats id=1 STATUS=1 3=0.33
*endnotehistorystate {Modified RHO of Material}
*startnotehistorystate {Modified RHO of Material}
*setvalue mats id=1 STATUS=1 4=0
*endnotehistorystate {Modified RHO of Material}
*startnotehistorystate {Modified RHO of Material}
*setvalue mats id=1 STATUS=1 4=2.7e-09
*endnotehistorystate {Modified RHO of Material}
*createentity props cardimage=PSHELL includeid=0 name="property1"
*clearmark properties 1
*startnotehistorystate {Modified Material of Property from 0 to 1}
*setvalue props id=1 materialid={mats 1}
*endnotehistorystate {Modified Material of Property from 0 to 1}
*setvalue props id=1 cardimage="PSOLID"