中国科学院首届职工技能大赛机械工程领域蜂窝夹芯结构仿真分析
（总分 70 分）
一、研究背景
随着高新技术的发展，人们已不再满足于材料单纯的轻质化，而是寻找兼具轻质和其他某种或几种优良性能相结合的先进材料或结构以适应不同的需求。蜂窝夹芯结构作为一种轻质材料，具有比强度和比刚度高的优势，同时蜂窝的方向变化，可使夹芯结构内部保持开放，易于实现集承载与热控、隐身、吸能、防护、作动、储能、阻尼于一体的多功能特性，易实现预埋、传热等功能。蜂窝夹芯结构的多方面特性使其在高超音速飞行器、远程火箭、货船和防护系统中的应用具有无限潜力。此外，近年来有限元技术和 3D 打印技术的发展，为蜂窝夹芯结构部件的优化设计和快速制造提供了新的途径。
二、题目要求
蜂窝夹芯结构通常由芯层（或称芯材）及上、下面层三部分构成，由于其芯层具有高比强度、高比刚度等优异的力学特性，因而在航空航天、军事设备防护等领域得到了广泛应用。衡量蜂窝夹芯结构的力学性能指标通常包括模量、强度、平台应力、比吸能等，这些评价指标对于蜂窝夹芯结构的应用具有重要的指导意义，例如对于模量和强度较高的蜂窝夹芯结构，可作为系统的承载部件使用；对于平台应力和比吸能较高的结构，可作为系统的缓冲吸能部件使用。
图 1 蜂窝夹芯结构示意图
为了更好地将蜂窝夹芯结构应用于工程实际，本题要求选取一定尺寸的蜂窝夹芯结构进行设计分析，取结构总体尺寸为40mm 40mm 20mm，上、下面层的尺寸为 40mm 40mm 2mm，芯层的尺寸为 40mm 40mm 16mm，如图 1 所示。
图 2 芯层胞元构型示意图
如图 2 所示，芯层的胞元尺寸相同，数目为 N，且满足 N = nx ny（其中，nx、ny分别为 x 轴方向、y 轴方向的阵列数目）。以该六方蜂窝为芯层初始构型，芯层和面层均选用某铝合金材料，采用线性强化弹塑性模型，密度为 2.7 103kg/m3，弹性模量为 70.0 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为 45.0 MPa，强化模量为 30.0 MPa，最大塑性应变为1.0。
基于上述蜂窝夹芯结构的几何尺寸和材料力学参数，分析以下内容，并撰写详细的分析报告，具体包括：
1）取 nx=ny=4，胞元数量为 4 4，胞元尺寸为 10mm 10mm，芯层胞元初始构型的特征尺寸及相对密度 见表 1，根据蜂窝夹芯结构几何模型、材料力学属性等条件，利用有限元法，分析特定的结构力学性能，包括模量、强度、平台应力、比吸能等。
表 1 六方蜂窝胞元的特征参数
| H (mm) | L (mm) | t (mm) | pr | |
| 4.57 | 4.63 | 1.30 | 110 | 33.0% |
2）基于上述分析结果，通过设计蜂窝芯层构型（不局限于图 2所示的芯层胞元构型），借助有限元分析方法，对蜂窝夹芯结构的力学性能分别进行优化，包括模量、强度、平台应力、比吸能等，给出优化前后的芯层构型及结构力学性能，并阐明设计理念、构型的优化思路，要求蜂窝芯层相对密度 取值范围为 0.1 ~ 0.4。
三、计分规则
1）蜂窝夹芯结构仿真过程的规范性（30%）
蜂窝夹芯结构有限元模型的合理性（20%）；
蜂窝夹芯结构有限元分析结果的可靠性（10%）。
2）蜂窝夹芯结构力学性能指标的物理内涵及分析准确性（40%）
蜂窝结构相关性能指标物理内涵的准确性（20%）；
蜂窝结构初始构型力学性能分析的准确性（20%）。
3）蜂窝夹芯结构优化思路及可加工性评估（30%）
蜂窝夹芯结构优化思路的合理性（25%）；
优化前后蜂窝夹芯结构的可加工性评估（5%）。
四、 答案提交要求
1. 按照题目要求，提供一份详细的仿真分析报告（PDF 文件）；
2. 仿真分析报告文件以“单位+姓名+题目名称”命名；
3. 各单位统一将选手仿真分析报告置于同一个文件夹中，以“单
位+姓名”命名，打包压缩后发送；
4. 各参赛选手按要求答题，在规定时间完成后，于 11 月 11 日下
午 17 点前提发送至以下邮箱：gaojing@opt.ac.cn。
5. 联系方式：
技术答疑联系人：裴永乐，18821743376，peiyongle@opt.ac.cn
试卷提交联系人：高 静，15091182819，gaojing@opt.ac.cn
西安光机所工会
2022 年 10 月 31 日