何小芳 白玉峰 侯朝阳 曹新鑫

摘  要：利用ABAQUS有限元软件，基于等效方格芯材结构，建立方格芯材结构三点弯曲模型，进行变形过程的求解分析。在弯曲变形过程中，研究方格胞元壁厚对方格芯材结构变形行为的影响，设计出一种方便制备的方格芯材结构复合材料。结果表明，芯材的加入可以分担部分应力，当胞元壁厚为4mm时，Mises最大应力达到最大值32.15MPa。通过测试复合材料的力学性能，验证了有限元仿真结果的可靠性，试验曲线与仿真曲线整体走势吻合。

关键词：有限元  方格芯材  抗弯性能  可靠性

中图分类号：TB332                             文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2020）08（c）-0085-03

Abstract： Based on the equivalent grid core material structure， a three-point bending model of grid core material structure was established by using ABAQUS finite element software to solve and analyze the deformation process. In the bending deformation process， the influence of cell wall thickness on the deformation behavior of lattice core was studied， and a kind of lattice core composite material was designed.By testing the mechanical properties of the composite， the reliability of the finite element simulation results is verified， and the test curve is consistent with the overall trend of the simulation curve.

Key Words： Finite element; Grid core material; Bending stiffness; Reliability

所谓有限元法，将连续的带求解域分解，形成有限个单元后进行计算的方法，分散后的单元经设定后再次连接，形成新的求解域，加快计算速度，提高计算精度。当模型较复杂时，可通过减小单元尺寸、增加单元自由度等方法，近似模拟待测模型。相较于试验测试，有限元模拟的成本更低、耗时更短、分析重复性更强，并且随着有限元分析软件的不断更新，有限元模拟的结果也更合理可靠，是一种高效、科学的分析方法。本章利用ABAQUS有限元软件，模拟方格芯材结构的三点弯曲过程，分析在变形过程中，方格胞元壁厚对方格芯材结构变形行为的影响，通过测试复合材料的力学性能，验证有限元仿真结果可靠性。

1  复合材料有限元模型建立

由于方格胞元间隙较大，无法根据标准进行制样，因此采用本文模型进行弯曲仿真模拟和测试，在ABAQUS的部件模块，创建几何模型。本文中的方格芯材复合板模型采用三维可变形实体，尺寸单位均为mm，具体尺寸要求如下：长100mm，宽40mm，厚4mm，方格芯材厚2mm，胞元壁厚1、2、3、4mm，方格胞元间隙24、23、22、21mm，芯材位于基体表面1mm处。

2  有限元仿真模拟

2.1 边界条件的设定

定义边界条件目的在于，限定模型的某部分保持固定或在某方向上移动，为了使模型不发生错误位移，计算过程不被终止，进而得到与试验结果吻合程度高的仿真结果，定义边界条件至关重要。本文仿真过程中的边界条件如表1所示。

2.2 网格划分

本章中芯材和基体的网格单元类型为八节点线性六面体单元（C3D8R），算法采用进阶算法，并且勾选在合适的地方使用映射网格，其中芯材种子尺寸为0.5mm，基体板种子尺寸为1mm，压头网格单元类型为四节点三维双线性刚性四边形（R3D4），算法为进阶算法，同样勾选在合适的地方使用映射网格，其中三点弯曲变形所用压头种子尺寸为0.5mm，支座种子尺寸为0.3mm。划分结果如图1所示。

2.3 定义材料属性

本文中用到的材料有高聚物PP、高聚物HDPE，分别将属性赋予基体板和芯材，三点弯曲中的压头和支座设置属性为刚体，因此无需赋予材料属性。此外，ABAQUS软件中物理量均不规定单位，在建立有限元模型时需格外注意。本文先根据需要，确定长度、质量、时间、力的单位，然后推导其他物理量单位，在ABAQUS基础材料库中，查得材料属性如表2所示。

3  模拟结果与分析

正如图2中所示，在位移加载结束时，压力在复合板上的分布关于加载方向对称，应力由中心向两侧递减，值得注意的是，此时位于压头正下方处的应力并非最大，原因在于，在挠曲阶段中，压头正下方与复合板的接触面逐渐减小，所承受的应力也逐渐减小[1-2]。当胞元壁厚为4mm时，Mises最大应力达到最大值32.15MPa，跨距达到最小。表明在三點弯曲过程中，加入HDPE芯材可分担部分压力，以此来保护复合板外部，以保证在更高载荷条件下使用[3-5]。