一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法与流程

本发明涉及一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，属于航天结构设计。

背景技术：

1、蜂窝夹芯结构具有远高于其他结构的比刚度性能，是运载火箭整流罩、卫星支架、仪器安装板等结构的理想材料，已经在运载火箭中广泛应用。火箭上蜂窝夹芯结构上要进行开口，以满足设备操作、电缆通道、局部透波等需求。目前火箭结构上的蜂窝夹芯开口结构由口框、加强板、填胶区组成，利用组合加强结构保证开口处蜂窝夹芯结构的强度。这种结构能满足承载要求，但是加强结构过于强壮，一方面导致结构较重，另一方面导致加强区周围存在应力集中问题、降低了蜂窝夹芯结构的整体承载能力，总的来说开口加强结构的结构效率低、承载能力低。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提出一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，实现结构失效模式及承载能力的高精度预示，从而实现结构减重并提高承载能力。

2、本发明所采用的技术方案是：一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，包括：

3、根据结构承载要求及刚度要求，采用有限元仿真分析方法，确定无开口的铝合金蜂窝夹芯结构的参数，包括第一蜂窝芯的厚度dfw，第一面板的厚度dmb；

4、确定开口尺寸；

5、选择开口口框的形状，确定开口口框尺寸，计算开口口框的厚度d2＝dfw-4×dmb；

6、根据开口口框的形状及尺寸，确定第一加强板、第二加强板、第二面板、第三面板的开孔尺寸，开口尺寸与开口口框的开口保持匹配；

7、确定第一加强板、第二加强板的长轴长度ajq、短轴长度bjq和厚度djq；

8、确定含开口特征的第二蜂窝芯的尺寸，以及泡沫胶的尺寸；

9、采用铆钉连接开口口框、第一加强板、第二加强板、第二面板、第三面板采用铆钉连接形成初始蜂窝夹芯开口结构，铆钉孔绕开口周向均匀分布；

10、针对初始蜂窝夹芯开口结构，采用有限元仿真分析方法进行优化设计，进行强度及稳定性计算，保证失效载荷差异满足设定阈值，得到满足要求的蜂窝夹芯开口结构。

11、进一步的，所述无开口的铝合金蜂窝夹芯结构，包括第一面板、第一蜂窝芯；无开口的铝合金蜂窝夹芯结构的有限元仿真分析等效模型中，第一蜂窝芯采用实体模型、赋予第一蜂窝芯的弹性参数，第一面板、第一蜂窝芯之间为粘接；有限元仿真分析中进行强度判断时，以蒙皮整体进入屈服作为失效条件；有限元仿真分析中进行稳定性判断时，将失稳特征值乘折减系数0.7。

12、进一步的，若开口口框为圆形开口，根据口盖安装要求确定圆形开口口框内圈的下陷圆环直径r1及深度d1，开口口框为中空结构，壳壁厚度d3取第一面板厚度dmb的4～6倍，开口口框外直径r3＝r1+2×dfw。

13、进一步的，若开口口框为矩形开口，根据口盖安装要求确定矩形开口口框的内圈下陷框的宽度w1、高度h1、倒圆角半径r1及深度d1，开口口框为中空结构，壳壁厚度d4取第一面板厚度dmb的4～6倍，开口口框的宽度w3＝w1+2×dfw、高度h3＝h1+2×dfw，外圈倒圆角半径r2取第二蜂窝芯厚度dfw的0.5～1倍。

14、进一步的，对于圆形的开口口框，位于开口口框内圈下陷圆环一侧的第二加强板的开口直径等于r1，另一侧的第一加强板的开口直径等于r。

15、进一步的，对于矩形的开口口框，位于开口口框内圈下陷框一侧的第二加强板的开口宽度等于w1、高度等于h1，另一侧的第一加强板的开口宽度等于w、高度等于h。

16、进一步的，长轴长度ajq取2～3倍的r*，短轴长度bjq取1.5倍的r*；厚度djq取第一面板厚度dmb的2倍；其中，r*为开口外接圆的直径。

17、进一步的，泡沫胶填充第二蜂窝芯开口周围20mm范围内的蜂窝格。

18、进一步的，相邻铆钉孔间距取值范围为20～30mm。

19、进一步的，所述蜂窝夹芯开口结构有限元仿真分析模型，包括：

20、有开口特征的第二面板和第三面板、有开口特征的第一加强板和第二加强板、开口口框、第二蜂窝芯、泡沫胶的仿真模型；

21、其中，第二面板和第三面板采用壳模型，第一加强板和第二加强板采用壳模型，开口口框采用实体模型，第二蜂窝芯采用实体模型，泡沫胶采用实体模型，并赋予各结构弹性参数、塑性参数及强度参数，不考虑铆钉孔，各部件之间为粘接；采用有限元仿真分析方法对蜂窝夹芯开口结构进行强度及稳定性计算，根据失效模式，调整结构参数，结构参数包括长轴长度ajq、短轴长度bjq和厚度djq、圆形开口口框的外直径r3和壳壁厚度d3或矩形开口口框的宽度w3和高度h3和壳壁厚度d4，更新模型的结构参数并重新进行有限元仿真分析，保证各区域失效载荷差异≤5％，实现等强度设计，获得最终的蜂窝夹芯开口结构。

22、本发明与现有技术相比的优点在于：

23、(1)本发明提出了铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，基于刚度匹配的设计原则，针对不同形状、不同尺寸开口要求，提出口框形状及尺寸、加强板形状及尺寸的最优设计方案，实现结构减重，并基本实现整体结构与开口加强结构的协调承载、等强度设计，提高结构整体承载能力。

24、(2)本发明采用提出了蜂窝夹芯开口结构的优化构型及参数确定方法，能快速获得结构效率较高的设计方案，能大幅提高蜂窝夹芯开口结构的设计效率。

技术特征：

1.一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，其特征在于，所述无开口的铝合金蜂窝夹芯结构，包括第一面板(1)、第一蜂窝芯(2)；无开口的铝合金蜂窝夹芯结构的有限元仿真分析等效模型中，第一蜂窝芯(2)采用实体模型、赋予第一蜂窝芯(2)的弹性参数，第一面板(1)、第一蜂窝芯(2)之间为粘接；有限元仿真分析中进行强度判断时，以蒙皮整体进入屈服作为失效条件；有限元仿真分析中进行稳定性判断时，将失稳特征值乘折减系数0.7。

3.根据权利要求2所述的一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，其特征在于，若开口口框(6)为圆形开口，根据口盖安装要求确定圆形开口口框内圈的下陷圆环直径r1及深度d1，开口口框(6)为中空结构，壳壁厚度d3取第一面板(1)厚度dmb的4～6倍，开口口框外直径r3＝r1+2×dfw。

4.根据权利要求2所述的一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，其特征在于，若开口口框(6)为矩形开口，根据口盖安装要求确定矩形开口口框的内圈下陷框的宽度w1、高度h1、倒圆角半径r1及深度d1，开口口框(6)为中空结构，壳壁厚度d4取第一面板(1)厚度dmb的4～6倍，开口口框(6)的宽度w3＝w1+2×dfw、高度h3＝h1+2×dfw，外圈倒圆角半径r2取第二蜂窝芯(5)厚度dfw的0.5～1倍。

5.根据权利要求3所述的一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，其特征在于，对于圆形的开口口框(6)，位于开口口框内圈下陷圆环一侧的第二加强板(11)的开口直径等于r1，另一侧的第一加强板(4)的开口直径等于r。

6.根据权利要求4所述的一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，其特征在于，对于矩形的开口口框(6)，位于开口口框内圈下陷框一侧的第二加强板(11)的开口宽度等于w1、高度等于h1，另一侧的第一加强板(4)的开口宽度等于w、高度等于h。

7.根据权利要求1所述的一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，其特征在于，长轴长度ajq取2～3倍的r*，短轴长度bjq取1.5倍的r*；厚度djq取第一面板(1)厚度dmb的2倍；其中，r*为开口外接圆的直径。

8.根据权利要求1所述的一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，其特征在于，泡沫胶(7)填充第二蜂窝芯(5)开口周围20mm范围内的蜂窝格。

9.根据权利要求1所述的一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，其特征在于，相邻铆钉孔间距取值范围为20～30mm。

10.根据权利要求1～9任一所述的一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，其特征在于，所述蜂窝夹芯开口结构有限元仿真分析模型，包括：

技术总结
本发明公开了一种铝合金蜂窝夹芯开口结构的仿真分析方法，包括：采用有限元仿真分析方法，确定无开口的铝合金蜂窝夹芯结构的参数；确定开口尺寸；选择开口口框的形状，确定开口口框尺寸，计算开口口框的厚度d<subgt;2</subgt;；确定第一加强板、第二加强板、第二面板、第三面板的开孔尺寸，开口尺寸与开口口框的开口保持匹配；确定第一加强板、第二加强板的长轴长度a<subgt;JQ</subgt;、短轴长度b<subgt;JQ</subgt;和厚度d<subgt;JQ</subgt;；确定含开口特征的第二蜂窝芯的尺寸，以及泡沫胶的尺寸；针对初始蜂窝夹芯开口结构，采用有限元仿真分析方法进行优化设计，进行强度及稳定性计算，保证失效载荷差异满足设定阈值，得到满足要求的蜂窝夹芯开口结构。

技术研发人员：刘伟,章凌,杨帆,王斌,路志峰,苏晗,李林生,刘彬,朱振涛,王卓群,芮兴,吴浩,蒋亮亮,徐卫秀,袁彪,曹昱,王桂娇,张靖坤,刘伟杰,于思恒,李智,惠兴晨,张栋梁,高影,胡兆财,蔡奕霖
受保护的技术使用者：北京宇航系统工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1