摘要：蜂窝夹芯板是一种典型的复合材料结构，由两块高强度、高刚度的薄面板和低密度、低刚度、低强度的厚芯板组成。由于其高比强度、比刚度和较好的隔热、隔振、抗冲击等优点，成为航空航天不可缺少的材料之一。当前，在型号研制中，蜂窝夹层结构已成功地应用于飞机的翼面、舵面、地板、雷达罩及整流罩。复合材料蜂窝夹层结构在压、剪载荷作用下的的主要失效模式可分为局部失效和总体失稳两大类，局部失效主要包括面板失效、蜂窝失效和界面失效等。
关键词：蜂窝夹层结构；总体稳定性；有限元；
用两种有限元模型和工程方法分别对复合材料蜂窝夹层结构在压缩、剪切载荷作用下的总体稳定性进行了计算，根据各计算结果与试验结果进行了对比分析。结果表明：对于承受压缩载荷的结构，采用工程计算法能够较好的预估结构的屈曲临界载荷，而对于承受剪切载荷的结构，采用三维有限元法能较好的计算结构的屈曲载荷。
一、试验
1.试验件。试验件分为压缩试验件和剪切试验件两类。试验件单向带材料为CCF300/BA9916-II，织物的材料为CF3031-BA9916-II，蜂窝芯子的材料为NRH-2-48。压缩试验件尺寸为720mm?638mm，端部36mm进行灌胶处理并将蒙皮加厚作为夹持端，蜂窝芯子处面板铺层为[(±45°)/0/(±45°)]，在试验件两侧边10mm区域进行灌胶处理，蜂窝芯子的厚度为8mm。剪切试验件为正方形，边长为850mm，蜂窝芯子处面板铺层为[(±45°)/0/(±45°)]，试验件的侧边处过渡为层压板结构并进行局部加厚作为试验件的夹持端。
2.试验过程。对压缩试验件，试验时需设计压缩试验夹具以实现对试验件提供轴向压缩加载，设计时需要2套夹具，一套用来夹持试验件的端部，便于载荷的施加，同时也对试验件的端部提供支持，一套用来夹持试验件的侧边，对试验件的侧边提供支持。试验中确保试验加载的压心通过试验件的形心，以实现试验件处于纯压缩状态，这是压缩试验中最困难的一点，可以通过在试验件两侧对称位置粘贴应变片，比较对称位置的应变来调节压缩试验的加载。
试件通过对角拉伸实现剪切，试验中试验夹具和加载设备确保试验加载的中心通过试验件的形心，以实现了试验件处于纯剪切状态。试验中以试验件预估载荷2%的加载梯度加载直至试验件破坏。
二、有限元分析计算
1.有限元模型。目前，对于蜂窝夹层结构的建模有四种方法，文中采用型号中常用的二维和三维有限元模型对试验件进行计算。二维模型中对上、下面板及蜂窝芯采用单个CQUAD4单元模拟，上下面板及蜂窝芯的材料描述采用二维正交各向异性材料卡MAT8。三维有限元模型对夹层结构的上下面板的定义与二维有限元模型相同，但是采用不同于二维模型的方式定义蜂窝芯。在三维有限元模型中，蜂窝芯应用CHEXA实体单元进行模拟，性质卡为PSOLID，材料描述采用三维各向异性材料卡MAT9。对于试验件中的灌胶部位，在有限元模型中赋予不同于试验件的材料属性进行模拟。
2.材料特性及边界条件。计算中所用的面板材料为CCF300/BA9916-II和CF3031-BA9916-II,蜂窝芯采用NRH-2-48，铺层为[(±45°)/0/(±45°)/NRH/(±45°)/0/(±45°)]，所用材料的力学性能如表1所示。
表1所用材料的力学性能
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二维模型和三维模型边界条件均为简支约束，各载荷形式的加载如下：1）压缩总体失稳：在y向边上施加F=10000N的载荷，对三维模型，载荷平均分配到上下面板的节点上。2）剪切总体失稳：每边上施加F=10000N的载荷，对三维模型，载荷平均分配到上下面板上。
3.计算结果。有限元计算采用特征值法，首先计算得到其特征值λ1，然后用特征值乘以施加的载荷P0得到总体屈曲载荷Pcr，即Pcr=λ1P0。
三、工程计算
1.压缩总体稳定性的计算。对于相同的面板，面板屈曲应力的计算公式为；
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四、结果分析
1.压缩总体稳定性分析。根据蜂窝夹层结构压缩总体稳定性的各计算方法，在压缩载荷作用下，采用二维有限元模型和三维有限元模型计算结果相近，相差为7.1%，但有限元的计算值和试验值相差较大，最大相差36.9%；采用工程法的计算结果和试验值相差较小，相差仅为4.6%。因此，在压缩载荷作用时，计算蜂窝夹层结构的总体稳定性宜采用工程方法。
2.剪切总体稳定性分析。根据蜂窝夹层结构剪切总体稳定性的各计算方法，二维有限元法和三维有限元法的计算结果比较接近，相差仅为1.6%；有限元的计算结果和试验结果最大相差12.9%；工程计算法结果和试验值相差较大，其值偏于保守。可见，在剪切载荷作用下，利用有限元法能够较好计算夹层结构的屈曲载荷，而工程方法偏于保守。
总之，稳定性问题是个很复杂的问题，尤其是复合材料蜂窝夹层结构的总体稳定性分析是工程设计人员的难点，很多情况下靠经验或经验公式，最终通过试验验证。文中对夹层结构的二维有限元法、三维有限元法及工程计算法和试验结果进行了对比分析，可以得出如下结论对夹层板无论是承受压缩载荷还是剪切载荷，二维有限元和三维有限元的计算结果相差较小；对承受压缩载荷为主的结构，建议采用工程计算法进行计算；对承受剪切载荷为主的结构，建议采用三维有限元法进行计算。
参考文献：
[1]张宏宇.浅谈复合材料蜂窝夹层结构的总体稳定性研究.2019.
[2]王连华.复合材料蜂窝夹层结构总体稳定性分析的有限元法.2018.