碳纤维蜂窝夹层结构动特性分析

    随着科学技术的飞速发展,尤其是航空航天技术的高速发展,大量新材料,新的轻型结构不断出现,并得到广泛应用。碳纤维蜂窝夹层结构就是其中之一。例如目前航天飞行器的太阳电池阵的基板,基本上都是网格状碳纤维表板铝蜂窝夹层结构,它不仅比刚度、比强度高,而且具有较好的热稳定性。但随着飞行器的能源需求增大,太阳电池阵的面积不断增大,导致振动频率太低,有的只有零点几赫兹,容易造成飞行器结构和贮箱中的燃料及控制系统的耦合振动,这是非常危险的。故在设计中对结构的动特性必须进行较精确的分析,尤其是太阳电池阵、天线等大型柔性附件的动特性分析显得更加重要。但以往这种蜂窝夹层结构大多是将其等效为板[1,2],在等效中将蜂窝仅考虑为低阶或高阶剪切理论的抗剪平板[3,4],这种分析在工程中或要求不高时可采用。但在航天工程中蜂窝一般都是壁厚极薄的铝蜂窝,很容易失稳,特别是在应力集中区域,如压紧点和铰链附近。对布局加密,加强又不好处理。本文中对表板和蜂窝分别等效,然后用不增加节点和自由度的有限元方法进行分析,取得较好的结果,具体等效模型如下。

    1　碳纤维蜂窝夹层结构动力学等效模型

　　碳纤维蜂窝夹层结构一般由碳纤维网格表板和铝蜂窝夹芯粘结而成。各部分都不是连续结构,如表板是象筛子样的网格,蜂窝一般都是正六棱柱的蜂窝,必须分别建立等效的模型。

    1.1　碳纤维表面网格板等效模型

　　碳纤维表面网格板一般都是由长的碳纤维正交铺设而成。根据结构受力情况和选用的碳纤维可采用粗细不同的纤维和控制纤维之间的距离。若要提高刚度,在局部可实施多层加强结构,每一层的铺设形式如图1,其中ta、tb分别为两个正交方向的碳纤维的宽度。a、b分别为相应方向上的碳纤维间的距离。每一层碳纤维的厚度为t。若碳纤维的拉伸弹性模量为Er,横向的弹性模量为Es,根据能量相等原则,碳纤维表面网格板可等效为正交异性的平板,其弹性特性为

式中:k——波纹影响系数

    1.2　铝蜂窝夹芯的等效模型

　　对于碳纤维蜂窝夹层结构为了减轻重量,提高比强度、比刚度,其夹芯一般都采用拉制焊接而成的铝蜂窝结构,但它的抗压能力较差。为了在分析中能得到夹层板的层间应力和蜂窝受力状况,采用三维结构进行等效,每个蜂窝都是正棱柱,如图2。其中a为蜂窝边长,t为蜂窝壁厚,h为蜂窝高度。按照蜂窝在结构中放置的方向,根据受力情况,参考文献[5,6],可推出蜂窝的等效材料特性为

式中:　Es——为夹芯材料弹性模量;