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摘要：文章提出了一种半解析模型，用于预测夹层板中层压复合材料蜂窝芯的剪切屈曲。该模型考虑了蜂窝芯壁板的弯曲-扭转耦合效应和层合壁板边界处的旋转约束。通过与有限元分析结果的比较，验证了该模型在预测蜂窝芯剪切屈曲方面的可靠性。研究填补了现有方法在预测层压复合材料蜂窝芯剪切屈曲方面的空白，为夹层板的设计和优化提供了实用且高效的工具。夹层板凭借其优异的刚度重量比和强度特性，在众多工程领域得到了广泛应用。蜂窝芯作为夹层板中最为常见的芯材类型，可由各向同性金属箔、纤维增强复合材料等多种材料制成。蜂窝芯夹层板的主要失效模式之一是芯壁的局部屈曲，例如剪切屈曲。通过优化几何设计、材料选择和稳定性分析，可以有效减轻蜂窝芯夹层板中的局部屈曲现象，从而为机械超材料的发展提供蓝图，推动具有精确控制力学性能结构的研究。虽然三维 (3D) 数值模型可以捕捉到芯材的局部失效现象，例如剪切屈曲，但此类模型复杂且计算成本高昂，在大规模结构建模时往往难以实现。近日，《Composite Structures》期刊发表了一篇由英国爱丁堡大学工程学院和格拉斯哥大学的研究团队完成的有关复合材料蜂窝芯剪切屈曲预测的半解析模型的研究成果，用于预测层合复合材料蜂窝芯的剪切屈曲载荷，为夹层板结构的设计和优化提供了实用且高效的工具。论文标题为“A semi-analytical model for predicting the shear buckling of laminated composite honeycomb cores in sandwich panels”。![]()
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该研究使用蜂窝芯的代表性体积单元 (RVE) 分析，并结合层合复合材料板屈曲理论，预测层合复合材料蜂窝芯的临界屈曲应变。与大多数复合材料板的剪切屈曲解不同，该方法考虑了由于铺层角度导致的弯扭耦合效应。该研究还考虑了在芯壁边界处的旋转约束效应。为了验证该方法，研究人员将预测结果与六边形蜂窝芯和各种形状的芯材的有限元分析结果进行了比较，并考虑了多种纤维铺层方案。
理论分析方面，研究人员首先分析了六边形蜂窝芯，绘制了简化情况下的相变失效图，推导了矩形和三角形蜂窝芯的理论解，并使用所提出的方法进行了分析。
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图1 （a） 典型的周期性六边形蜂窝芯和（b）使用（c）具有不同（d）纤维层排列的层压复合壁制造的六边形芯的RVE。
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图2 （a） 六边形芯RVE（b）正剪切应变下板的变形形状。纤维的正剪切角ϕ相对于正方向x1逆时针测量。
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图3 重复RVE以形成周期性蜂窝芯。
为了验证所提出的半解析方法，研究人员使用 ABAQUS 软件进行了线性屈曲分析。分析了六边形蜂窝芯的 RVE，并考虑了多种材料形式。结果表明，与有限元分析结果相比，所提出的方法在假设所有板边缘均为简支时提供了保守的预测，而在板的较长边缘施加旋转约束时，预测结果更接近有限元分析结果。
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图4 剪切载荷（a）γ13、（b）γ23和（c）γ23/γ13=1的有限元模型
该研究首先验证了所提出的方法，并将其预测结果与有限元分析结果进行了比较。结果表明，在假设所有板边缘均为简支时，该方法提供了保守的预测，而在板的较长边缘增加旋转约束时，预测结果更接近有限元分析结果。该研究还讨论了芯壁厚度比、蜂窝芯形状和纤维铺层方向等参数对剪切屈曲应变的影响。
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图5 剪切载荷（a-b）γ13（正剪切）、（c-d）γ13的临界屈曲振型俯视图和侧视图（负剪切），显示了具有（0/0/90/0/0）和（45/-45/0/-45/45）层压板且相对芯密度为0.072的六角芯RVE的临界屈曲振型。每行的第一和第三临界振型适用于（0/0/90/0/0）层压板，第二和第四临界振型则适用于（45/-45/0/-45/45）层压板。
Sriharan, J., Dias, M., Adhikari, S., & Fernando, D. (2024). A semi-analytical model for predicting the shear buckling of laminated composite honeycomb cores in sandwich panels. Composite Structures, 351, 118629.https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118629☟ 文献求助及技术交流可添加QQ群：640676531，540731372投稿邮箱：mech_of_comps@yeah.net
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