玻璃钢蜂窝板结构参数对平压强度的影响

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摘 要：采用ANSYS Workbench软件建立玻璃钢蜂窝板有限元力学模型，以平压强度为考察目标，通过模拟结果与实验结果的对比，验证模型的合理性。再以蜂格边长、蜂窝高度、蜂壁厚度和面板厚度为四因素，每个因素取五个水平，模拟设计四因素五水平的正交试验，确定各因素对目标的影响规律及主次关系。结果表明：四个因素对玻璃钢蜂窝板平压强度的影响大小顺序为：蜂壁厚度>蜂窝高度>蜂格边长>面板厚度。

关键词：玻璃钢蜂窝板；有限元模型；影响因素；正交实验；平压强度

中图分类号：TQ327.1 文献标识码：A

玻璃钢蜂窝板是以聚酯增强塑料和多轴向高强度玻璃纤维为主要材料，在特制模具中，经过恒温真空加压、吸附、胶合、固化成型，具有重量轻、强度高、抗腐蚀、抗老化、防水耐潮等优点。玻璃钢蜂窝板利用自身的产品优势，已经成为建材行业代替钢材、木质胶合板的新兴产品，并在欧美地区得到了广泛的应用，在当今“以人为本，环保节能”的世界，具有很好的应用价值和市场前景[1]。平压强度是衡量玻璃钢蜂窝板的主要性能指标之一，准确测试其大小具有重要的意义。近年来，虽然很多学者研究了蜂窝板的平压性能，并取得了一定的进展[2-3]，但是玻璃钢蜂窝板的平压性能受到诸多因素的影响，如何准确获得各因素的影响规律及主次关系还有待完善。

目前，玻璃钢蜂窝板的平压强度主要是通过试验得到的[4]，针对试验中存在的周期长、成本高等不足，本文采用有限元软件ANSYS Workbench建立玻璃钢蜂窝板力学模型，并与平压试验结果进行对比，来验证模型的可行性。同时以平压强度为考察结果，以蜂格边长、蜂窝高度、蜂壁厚度和面板厚度为四因素，每个因素取五个水平，设计了一个四因素五水平的正交试验，确定各因素对平压强度的影响规律及主次关系，为后来玻璃钢蜂窝板力学性能的研究提供依据。

1数值模型建立及验证

1.1 蜂窝板模型

图1 平压模拟示意图

Fig.1 the schematic of platen simulation

根据GB/T 1453-1987《非金属夹层结构或芯子平压性能试验方法》，每个试样中至少包含4个完整的蜂窝芯子，因此利用ANSYS Workbench建立的模型如图1所示。上下面板与夹层之间的接触选用绑定接触。试样几何尺寸为：高度h=9mm，边长c=6mm，蜂壁厚度为t=0.14mm。以面内任意相互垂直的方向为X、Y方向，沿厚度方向为Z方向，根据文献[5]可知材料三维方向的性能参数如表1。

表1材料力学性能参数

1.2定义载荷、约束和求解

考虑到抗压试验中蜂窝板受到试验机上板的压缩，因此在蜂窝板的上表面施加垂直向下的均布载荷，在下表面施加固定约束，运算过程迭代收敛。

本文仅考虑弹性阶段的变形情况，在蜂窝板顶部施加 -Z 向的均布载荷，载荷步为0.005 mm/s，计算结束后，处理数据得到蜂窝板的临界平压强度为3.12MPa。

1.3 模型验证

根据GB/T 1446-2005《纤维增强塑料试验方法总则》，每组选取5个有效试样，控制实验室温度 : (23±2)℃ ;相对湿度:(50±10)%，试样预处理 24h。参照GB/T 1453-1987《非金属夹层结构或芯子平压性能试验方法》进行试验。控制试验机上压板以0.5mm/min的速度向下运动对蜂窝板施加载荷，直到出现损坏现象为止。处理实验数据得到平压强度为3.09 MPa。模拟值与实验值非常接近，误差率约为0.97％，说明了所建模型的合理性。

2正交实验设计

2.1实验目的

考虑到实际实验条件的限制，本文根据以上所建立的力学模型，通过有限元软件ANSYS Workbench模拟仿真玻璃钢蜂窝板的平压实验，并以平压强度为研究对象，为提高玻璃钢蜂窝板的平压强度，本文选择了四个有关的因素进行模拟试验，蜂格边长（A），蜂窝高度（B），蜂壁厚度（C），面板厚度（D），搞清楚因素A、B、C、D对平压强度的影响，哪些是主要因素，哪些是次要因素，从而确定最优生产条件。

2.2试样选取

本实验拟采用玻璃纤维短切毡作为芯材，其厚度为0.07mm，设计四因素五水平L25(54)的正交试验共计25种试样。根据实际情况，确定了它们的试验范围：

。

3结果与讨论

正交实验结果的直观分析采用计算每一种水平所得实验结果的总和（因素在i水平的实验结果的总和），再计算出其平均值，记为Ki，再计算出极差Ri（因素各水平的平均实验结果的最大与最小的差值），根据不同因素的极差大小不同，来衡量各因素的影响程度，结果及分析列于表2中。

表2 正交试验及结果

3.1因素对指标影响的重要性比较

从以上分析可以看出, A 因素的极差为3.050, B 因素的极差为1.672 , C 因素的极差为6.652, D 因素的极差为0.314 。从数据中可以看出: R C > R A > R B > R D。四个因素的极差大小顺序为:

主-----次

C；A ；B ；D

由极差结果可知, 蜂壁厚度( C 因素) 对平压强度的影响最大, 因此在生产中要严格控制平压强度。

3.2 因素水平的比较

试验要求指标值即平压强度愈大愈好, 因此由表2可得, 对于A 因素, 取1水平时指标值最大, 即为6mm时平压强度最大; 对于B 因素, 1 水平为3.542 , 2 水平时为5.094 , 3 水平为4.126 , 4 水平时为3.758 , 5 水平时为3.422，对比而得2 水平时值最大，平压强度最高, 即取高度9 mm 最好。同理，C 因素取5 水平即0.7 mm，D 因素取5 水平即0.98 mm 时平压强度最高。所以通过因素水平分析, 能使平压强度最高的因素水平组合应为：A1、B2 、C5、D5。

4结论

在有限元仿真分析过程中，玻璃钢的弹性参数是否精确是有限元分析的关键。目前，由于玻璃钢沿板厚度方向的弹性参数无法准确获得，使得有限元仿真分析在玻璃钢蜂窝板力学性能研究方面应用不广泛。为简化模型，本文在仅考虑材料弹性变形的情况下，模拟仿真结果与实验结果较接近，说明模型的合理性，可为后来模拟仿真玻璃钢蜂窝板力学性能提供参考。另外，由于在实际生产和科研中，根据极差分析得出的优化工艺条件并不一定在正交实验方案中，为了考察优化工艺的真实性，可以追加验证性的实验。

参考文献：

[1] 潘鼎,曾凡龙,荣海琴.中国复合材料的发展与展望[J].玻璃钢/复合材料, 2006, 33(3): 16-26.

[2] WARRENAWE，KRAYNIKA AM. Foam mechanics: the linear elastic response of two-dimensional spatially periodic cellular materials [J]. Mechanics of Materials，1987，6(1):27-37

[3] PAPKASD，KYRIAKIDES S. In-Plane compressive response and crushing of honeycombs [J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids，1994，42 (10): 1499-1532

[4] 周祝林,徐玉珍,孙佩琼.复合材料平板及蜂窝芯综合性能测试与分析[J].纤维复合材料, 2002, 17( 4 ) : 17-20

[5] 赵丽滨,秦田亮,付月.复合材料结构三维有限元分析的材料参数[J] .北京航空航天大学学报, 2009, 38( S3 ) : 105- 108