1 导读
夹芯结构由两个相对较薄的面板组成，与一个相对较厚的轻质蜂窝结合，提供良好的刚度、强度和能量吸收性能。众多研究者对其力学性能展开了研究，但是蜂窝状材料的弯曲变形行为迄今尚未见报道。评价蜂窝在弯曲过程中的变形和了解其变形机理，对于建立一种预测蜂窝成形性的标准化方法至关重要。为此，西北工业大学机电学院的Zhao Zhiyong（第一作者），Li Yujun（通讯作者）及其团队，在《Composite Structures》上发表了题为“Experimental and numerical study on the constrained bending-induced collapse of hexagonal honeycomb”的文章，旨在用实验和有限元方法研究Nomex蜂窝沿WD方向的约束弯曲变形行为以及蜂窝单胞损伤的发生和演化机制。
2 内容简介
图1给出了具有重复六角形单胞的Nomex蜂窝蜂窝结构示意图。蜂窝状结构的三个主要方向被称为带状方向(LD)、横向方向(WD)和厚度方向(TD)。
图 1 蜂窝结构示意图：(a)蜂窝标本和(b)单胞的几何结构
图2给出了蜂窝几何尺寸和力学性能参数。
图 2 蜂窝几何尺寸和力学性能参数。
图3给出了蜂窝弯曲设置及图像处理示意图。对蜂窝试样的约束弯曲试验遵循以下步骤。首先，蜂窝标本放置在底部模具的中间。然后装载一个冲床（上部模具），其半径比底部模具的半径小一个样品厚度，直到上部冲床的中心和底部模具重合。需要注意的是，模具和冲孔机都是由丙烯酸制成的，导致试样和模具之间的摩擦可以忽略不计。此外，模具由三根钢结构支撑，以防止整个装置在弯曲过程中的过度变形。冲孔机保持原位，直到试样和模具之间的胶水固化并牢固地粘在一起，如图3(c)所示。由于局部屈曲是从顶部开始的，因此有必要检测和分析细胞壁在顶部表面的变形弯曲过程。去除上模具后，用碳化纸提取变形的蜂窝细胞的顶表面结构，并将其转化为数字平面内图像，利用机器视觉系统进行变形分析。由于碳化纸厚度小，展开后压印迹的尺寸和形状保持不变。然后，经过噪声过滤、平滑、二值化、分割调整等一系列图像处理，将每个图像从RGB转换为灰度图像。然后使用直方图阈值方法进行二进制图像转换，如图3(d)所示。
图 3 蜂窝弯曲设置及图像处理示意图
图4给出了弯曲的数值模型。该模型由两个刚性模具表面和一个线性弹性蜂窝状模型组成。
图 4 弯曲的数值模型：(a)有限元网格和(b)边界条件
图5给出了展开节点和蜂窝晶格。为了与实验数据进行比较，通过后处理Python脚本提取位于蜂窝晶格顶表面的节点，然后根据相同区域的原理进行扁平化，然后用直线连接这些节点，重建蜂窝晶格。
图 5 展开节点和蜂窝格子
图6给出了蜂窝状的单元格。
图 6蜂窝状的单元格(UC)：(a)六角形元素和(b)拉普拉斯形状函数的表示
图7给出了蜂窝在弯曲过程中的变形描述。蜂窝结构的约束弯曲过程可分为两个变形阶段。在第一阶段，蜂窝结构主要受平面外力矩M1的影响与LD平行，引起蜂窝中的弯曲。二次偏转也是直接由于蜂窝状材料的泊松比效应。在这一阶段，由于六边形蜂窝窝具有正的平面内泊松比，因此经历了反碎（鞍形）的曲率，如图7(a)所示。在第二阶段，重要的时刻M2随着蜂窝向底部模具移动而稳定生长。蜂窝中的曲率从反碎曲率变为单曲率。由于模具限制了蜂窝单元的平面外运动，在此阶段引入了蜂窝单元的局部屈曲。由有限元模拟得到的变形蜂窝顶面的相应构型如图7(b)所示。
图 7 蜂窝在弯曲过程中的变形描述
图8给出了蜂窝上的XCT测量提供的三维空间中单胞的厚度分布信息。说明蜂窝胞壁厚度和蜂窝截面不规则单胞形状有显著差异。
图 8 XCT测量了蜂窝胞壁的厚度分布
图9给出了三个不同区域的弯曲半径为150mm时，10mm厚的蜂窝单胞的变形构型的比较。在三个不同区域(WD坍塌区域、倾斜坍塌区域和规则区域)的CT测量和模拟得到的变形蜂窝单胞构型如图所示。仿真结果表明，单胞的变形结构与实验结果吻合较好。
图 9实验(a~c)与模拟(d~f)在三个不同区域的弯曲半径为150mm时，10mm厚的蜂窝单胞的变形构型的比较
3 小结
该研究对两种具有不同弯曲半径的Nomex蜂窝进行了弯曲实验，研究了蜂窝约束的弯曲响应。建立了相应的有限元模型(FEM)来模拟弯曲操作，并提出了一种新的定量变形评估方法来评价蜂窝窝的屈曲水平。该研究为全面理解Nomex蜂窝的约束弯曲响应提供了重要的进展。且该研究可用于分析Nomex蜂窝在任何平面内取向角度下的约束弯曲响应，并为六角蜂窝弯曲蜂窝夹层结构的设计制定了更有价值的指南。
原始文献：Zhiyong Zhao , Chuang Liu , Lishuai Sun，etal.Experimental and numerical study on the constrained bending-induced collapseof hexagonal honeycomb[J].Composite Structures，2021，277：114604.
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