I-core全钢三明治板的刚度分析范文

《焊接学报》2015年第十一期

摘要:

激光焊接I-core三明治板常用的刚度设计公式，没有考虑接头几何参数的影响，在实际应用中其准确性受到影响．通过外伸三点弯曲试验，对六种接头几何参数的I-core全钢三明治板的弯曲刚度和剪切刚度进行测量，并结合有限元计算，分析了接头几何参数对弯曲刚度和剪切刚度的影响．结果表明，增加焊缝宽度可显著提高弯曲刚度和剪切刚度，而焊缝宽度大于60%芯板厚度后，焊缝宽度对刚度的影响减小．间隙对刚度的影响可忽略．基于此结果，对三明治板设计时常用的刚度公式进行了修正．

关键词:

激光焊接;I-core全钢三明治;弯曲刚度;剪切刚度;接头几何参数

三明治板是一种由上、下面板和芯板组成的新型轻质高强结构．其特有的“夹芯效应”，可为舰船减重50%、节省空间50%、降噪20%等．I-core全钢三明治板是芯部结构最简单也是最具发展前景的一种三明治结构，近年来备受国内外研究者青睐［1－4］．弯曲刚度和剪切刚度是三明治结构设计中两个重要衡量指标．针对I-core三明治板的刚度，文献［5］中Lok＆Cheng等人分别提出了各自的计算公式．这些公式中都假设连接面板和芯板的接头在几何上是连续完整的，即“全焊缝接头”．实际接头具有几何不连续特征，即焊缝宽度小于芯板厚度、面板和芯板连接处存在间隙、焊缝中心偏离芯板中心．Romanoff等人［6］发现试验测量的剪切刚度比用上述公式计算的值小30%～50%，其原因认为与接头几何参数有关，因此Romanoff初步提出了考虑接头几何参数的剪切刚度公式．为进一步提高刚度设计公式的准确性，应首先分析接头几何参数对弯曲刚度和剪切刚度的影响．文中采用外伸三点弯曲试验方法对改变接头几何参数的I-core全钢三明治板的弯曲刚度和剪切刚度进行测量，并结合有限元分析，研究接头几何参数对弯曲刚度和剪切刚度的影响．在此基础上，对三明治板设计常用的刚度公式进行修正和简化．

1试验及有限元模型

1．1I-core三明治板的制备及几何尺寸试板如图1所示，总体尺寸为1200mm×500mm×60mm，面板板厚tf和芯板板厚tw都为5mm，芯板高度hc为5mm，芯板间距s为100mm．面板和芯板材料都是BS960．试板均采用CO2激光深熔焊方法制备，焊接功率为12kW，保护气体为99．9%的氩气．为获取不同接头几何参数的三明治板，选用2种焊接速度，每种速度下采用3种焊前表面清理方式，见表1．接头典型的横截面形貌如图2所示．

1．2外伸三点弯曲试验参照国家标准GB/T1456—2005《夹层结构弯曲性能试验方法》，设计了满足简支条件的三点弯曲试验装置，示意图见图3．在简支条件下，通过在跨中加集中载荷，经安装在跨中和左右两外伸端的位移传感器(左右外伸端的位移传感器距支座中心的距离a为跨距l的1/3)，测量跨中、左右外伸端挠度．根据载荷－挠度曲线，可计算弯曲刚度和剪切刚度.

1．3有限元模型借助ABAQUS有限元计算软件，分析接头几何参数对三明治板弯曲刚度和剪切刚度的影响．根据试板几何尺寸和试验加载条件创建有限元分析用几何模型，如图4所示．在网格划分时，接头处划分比较精细的网格(最小尺寸为0．1mm×0．1mm，最大尺寸为0．1mm×0．3mm)．材料模型中，面板和芯板的弹性模量都为206GPa，泊松比为0．3，屈服强度为961MPa，加工硬化指数为0．16．采用位移加载方式，压头施加的位移为15mm．

2试验结果及分析

2．1接头几何参数对刚度的影响通过外伸三点弯曲试验，可同时得到载荷－跨中挠度曲线和载荷－左、右外伸端挠度曲线．图5是典型的载荷－挠度曲线，其中实线为试验测定的曲线．斜率较大曲线是载荷－左外伸端挠度曲线ωL和载荷－右外伸端挠度曲线ωR，斜率较小的曲线是载荷－跨中挠度曲线ωM．可以看出，载荷－左外伸端挠度曲线ωL和载荷－右外伸端挠度曲线ωR重合，可选择其中之一与曲线ωM来计算弯曲刚度和剪切刚度．若曲线ωL和曲线ωR不重合，则取平均值．根据载荷－挠度曲线，经式(1)和式(2)分别计算出弯曲刚度和剪切刚度，见表2．可以看出，从1号到6号试板，随着焊缝宽度增大，弯曲刚度和剪切刚度都增大，如B组试板(4号～6号)比A组试板(1号～3号)的弯曲刚度和剪切刚度明显大，焊缝宽度对弯曲刚度和剪切刚度有着显著的影响．随着间隙的减小，弯曲刚度和剪切刚度也会增大，但增加不明显，如A组试板的间隙从0．11mm减小到0．06mm，弯曲刚度仅增加了6%，剪切刚度仅增加了2%．通过试验只得到了焊缝宽度从1．38～1．73mm，间隙从0．11～0．05mm范围的接头几何参数对弯曲刚度和剪切刚度的影响规律．为了全面认识接头几何参数对三明治板弯曲刚度和剪切刚度的影响，对焊缝宽度在1～5mm，间隙在0．02～0．20mm范围的三明治板进行有限元分析．分析之前，首先对有限元模型进行验证，图6中虚线是焊缝宽度为1.73mm、间隙为0．05mm三明治板的有限元分析得到的载荷－挠度曲线，可以看出与试验测定曲线比较吻合．基于试验验证模型，改变焊缝宽度和间隙，得到的弯曲刚度和剪切刚度如图6a，b所示．可以看出，间隙对弯曲刚度和剪切刚度的影响很小，特别是当焊缝宽度大于3mm(60%芯板厚度)以后，几乎没有影响．间隙对刚度的影响可忽略．焊缝宽度对弯曲刚度和剪切刚度都有显著的影响，焊缝宽度增大，弯曲刚度和剪切刚度也明显增大，只是当焊缝宽度较大(大于3mm)时，弯曲刚度和剪切刚度的增加变缓．根据上述试验和有限分析结果，可分别归纳出焊缝宽度与弯曲刚度和剪切刚度的关系，见图6c，d．其中三角形为试验结果，虚线为有限元分析结果．

2．2I-core三明治板常用的刚度设计公式修正目前激光焊接I-core三明治板的刚度设计公式都没有考虑接头几何参数的影响，其中最常用的是Lok＆Cheng提出的弯曲刚度［5］．根据Lok＆Cheng刚度设计公式计算得到的刚度(简称Lok值)见图6c，d中的点划线，与试验值比较，弯曲刚度增大31%～62%，剪切刚度增大46%～53%;与有限元计算结果比较，当焊缝宽度小于5mm时，其值均大于有限元分析结果，当焊缝宽度等于5mm时，二者相符合．可见如果不考虑接头几何参数，Lok＆Cheng刚度设计公式在实际应用中并不准确．利用试验和有限元分析得到的焊缝宽度对弯曲刚度和剪切刚度影响规律，结合组合梁理论和材料力学的移轴公式，对Lok＆Cheng提出的弯曲刚度和剪切刚度进行修正．用修正后的公式计算得出的刚度见图6c，d中的实线，与试验测量值比较，二者吻合很好;与有限元计算的结果比较，得到的刚度与焊缝宽度的关系与有限元计算得到的刚度与焊缝宽度的关系一致．与Lok＆Cheng公式计算的值相比，在焊缝宽度为5mm时，即三明治板的接头是全焊缝接头时，修正后值与Lok值几乎相等．因此在今后I-core三明治板刚度设计时，若考虑接头几何参数的影响，应采用式(3)和式(4)．

3结论

(1)增大焊缝宽度，激光焊接I-core三明治板的弯曲刚度和剪切刚度明显增大，但是当焊缝宽度超过3mm(60%芯板厚度)以后，弯曲刚度和剪切刚度的增加变缓．激光焊接I-core三明治板的刚度设计中应考虑焊缝宽度的影响．(2)间隙对激光焊接I-core三明治板的弯曲刚度和剪切刚度的影响不明显，特别在焊缝宽度大于60%芯板厚度后．激光焊接I-core三明治板的刚度设计中可忽略间隙的影响．(3)激光焊接三明治板刚度设计常用的公式因未考虑接头实际几何尺寸从而过高估计刚度．经修正后的刚度公式可用于考虑焊接接头几何参数的I-core三明治板的刚度设计．

参考文献:

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［2］乔及森，苟宁年，许雪梅，等．三明治结构中T形焊接接头力学性能测试分析［J］．焊接学报，2013，34(5):13－16．QiaoJisen，GouNingnian，XuXuemei，etal．Menchanicalprop-ertytestingofT-jointinsandwichpanels［J］．TransactionsoftheChinaWeldingInstitution，2013，34(5):13－16．

［3］静永娟，李晓红，谢棕蕻，等．几何参数对钛合金蜂窝夹层结构比强度的影响［J］．焊接学报，2013，34(9):103－106．JingYongjuan，LiXiaohong，XieZonghong，etal．Influnceofge-metricalparametersonspecificstrengthofTi-basedalloyhoneyunit［J］．TransactionsoftheChinaWeldingInstitution，2013，34(9):103－106．

［4］薛志清，胡绳荪，左迪，等．铜铝异种金属激光焊接头组织特征及力学性能［J］．焊接学报，2013，34(10):51－54．XueZhiqing，HuShengsun，ZuoDi，etal．Microstructuralcharac-teristicsandmechanicalpropertiesoflaser-weldedcopperandalu-minum［J］．TransactionsoftheChinaWeldingInstitution，2013，34(10):51－54．

［5］RomanoffJ，RemesH，SochaG，etal．ThestiffnessoflaserstakeweldedT-jointsinweb-coresandwichstructures［J］．Thin-walledStructures，2007，45(4):453－462．

［6］RomanoffJ．Bendingresponseoflaser-weldedweb-coresandwichplates［D］．Espoo:HelsinkiUniversityofTechnology，2007.

作者：蒋小霞 朱亮 乔及森 吴毅雄 李铸国 陈剑虹 单位：兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室 宁夏大学 机械工程学院 上海交通大学 上海市激光制造与材料改性重点实验室