【正文】 第 五章 夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Design of sandwich structure ? 1 夾層結(jié)構(gòu)的原理 ? 2 夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) ? 3 夾層結(jié)構(gòu)的制造技術(shù) ? 4 蜂窩的工程彈性常數(shù)計(jì)算 ? 5 夾層結(jié)構(gòu)的失效模式 夾層結(jié)構(gòu)通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子膠接而成。具有質(zhì)量輕、彎曲剛度與強(qiáng)度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、耐疲勞、吸音和隔熱等優(yōu)點(diǎn)。 夾層結(jié)構(gòu) A sandwich panel (12 mm thickness) with an aluminium foam core and two steel faceplates Sweden (a) The Beech Starship (b) Voyager 一 夾層結(jié)構(gòu)的原理 ? 在航空、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、體育運(yùn)動(dòng)器材、船舶制造、列車機(jī)車等領(lǐng)域，大量使用了 夾層結(jié)構(gòu)，減輕重量 ， ? 在夾層結(jié)構(gòu)中， 使用低密度夾心材料增加層合板的厚度 ，從而達(dá)到 提高材料剛度的目的 。 ? 這樣在 重量增加很少 的前提下，大幅度的 提高結(jié)構(gòu)的剛度 。 一 夾層結(jié)構(gòu)的原理 ? 在彎曲荷載下， ? 面層材料主要承擔(dān)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力， ? 芯材主要承擔(dān)剪切應(yīng)力， ? 同時(shí)，對(duì)于很薄的薄壁夾層結(jié)構(gòu)，還需要注意 荷載的施加方式對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的影響 ? 和 ? 夾層結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊荷載的承受能力 。 ? 采用夾層結(jié)構(gòu)方式 是為了提高材料的有效利用率和減輕結(jié)構(gòu)重量， ? 以梁板構(gòu)件為例，在使用過(guò)程中， ? 一要滿足強(qiáng)度要求 ， ? 二要滿足剛度的需要 ， 夾層結(jié)構(gòu)得以發(fā)展的主要原因 ? 玻璃鋼材料的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，模量 低。 ? 因此，用單一的玻璃鋼材料制造梁板， 滿足強(qiáng)度要求時(shí) ，撓度往往很大 ， ? 如果按 允許撓度進(jìn)行設(shè)計(jì) ，則 強(qiáng)度大大超過(guò)，造成浪費(fèi) 。 ? 只有采用夾層結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能 合理的解決這一矛盾 。 ? 這也是夾層結(jié)構(gòu)得以發(fā)展的主要原因 . 夾層結(jié)構(gòu)得以發(fā)展的主要原因 夾層結(jié)構(gòu)分類 ? 夾層結(jié)構(gòu)的 蒙皮和夾芯材料 種類很多， ? 如果用鋁、鈦合金做蒙皮和芯材，則稱為 金屬夾層結(jié)構(gòu) ； ? 用玻璃鋼薄板，木質(zhì)膠合板和無(wú)機(jī)復(fù)合材料板做蒙皮 ，用玻璃鋼蜂窩、紙蜂窩及泡沫塑料做 夾芯材料 ，則稱為 非金屬材料夾層結(jié)構(gòu) 。 ? 目前，以 玻璃鋼薄板做蒙皮 、 玻璃鋼蜂窩和泡沫塑料 做芯材的夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。 夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) ? 1)具有大的彎曲剛度 /重量比 ,彎曲強(qiáng)度 /重量比 ? 2)具有良好的吸聲 ,隔聲 ,隔熱性能 ? 3)具有大的屈曲臨界載荷 ? 4)對(duì)濕熱環(huán)境敏感 ,設(shè)計(jì)時(shí)要防潮密封 ? 5)面板對(duì)低能沖擊敏感 ? 6)修補(bǔ)困難 面 板 ? 可選擇鋁、不銹鋼、玻璃鋼、天然石材、防火板裝飾板、噴塑金屬板 ,復(fù)合材料等，以滿足不同的使用要求。 2 夾層材料 選擇面板時(shí)，主要考慮的是 材料的剛度和強(qiáng)度 ， 表 1 幾種常用板材重量剛性比較 板材種類 厚度 (mm) 彎曲剛度 N(m^2/m) 重量 (kg) 比剛度 鋁蜂窩夾層板 20 x 10^6 鋁板 x 10^6 鋼板 x 10^6 幕墻 (1m x 2m) 風(fēng)壓 300kgf/m^2 風(fēng)壓 500kgf/m^2 15mm厚夾層板 變形量 變形量 20mm厚夾層板 變形量 變形量 表 2 鋁蜂窩板抗風(fēng)壓力能力 面板的鋪層方式 夾心材料 ? 選擇面板時(shí)，主要考慮的是 材料的剛度和強(qiáng)度 ， ? 但是對(duì)于芯材的選擇，首先考慮的 是重量 。 ? 為了是 面板在相互之間保持一定距離的同時(shí)，面板能保持穩(wěn)定，夾心材料有時(shí)還必須承受一定的應(yīng)力。 ? 芯材主要承受的剪應(yīng)力，有時(shí)還存在壓應(yīng)力。 芯子材料密度低，有足夠的強(qiáng)度和剛度； 膠接性能好； 與面板的電性能相匹配，避免電偶腐蝕； 工藝性能良好，價(jià)格低。 對(duì)于某些特殊構(gòu)件，要考慮芯子的電性能、導(dǎo)熱性能以及阻燃、防毒和防煙霧性能等。 電性能、導(dǎo)熱性以及阻燃、防毒和防煙霧性能等。 芯子材料選擇應(yīng)遵循的原則有 目前，主要的夾心材料有 ? 蜂窩材料，泡沫材料和木材 蜂窩材料 ? 蜂窩材料 主要有 ? ? 鋁蜂窩、 ? (芳香聚酰氨 )NOMEX蜂窩 ? 和普通紙蜂窩。 ? 是 一種強(qiáng)度／重量比最高的結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)價(jià)格也比較便宜 。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)和制作工藝，孔隙有不同的幾何形狀。通常是六角形。 ? ? 鋁蜂窩材料一般是未張拉的蜂窩塊的形式，在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行張拉 。 ? 鋁蜂窩夾心材料在一定的重量條件下，可以做得很薄。然而，這種薄壁可能會(huì)導(dǎo)致蜂窩的表面，尤其是在蜂窩孔隙較大的情況下，發(fā)生局部的穩(wěn)定破壞。 ? 除此以外，鋁蜂窩和碳纖維同時(shí)使用， 由于這兩種材料都不是絕緣材料，會(huì)發(fā)生接觸腐蝕 。對(duì)蜂窩材料作接觸腐蝕的 內(nèi)部檢查成本很高 。 鋁蜂窩 ? 通過(guò)敲擊可以初步檢查蜂窩材料的質(zhì)量和損壞情況。 ? 鋁蜂窩材料還有一個(gè)缺陷 就是 沒(méi)有“力學(xué)記憶” 。 ? 夾心層板受到?jīng)_擊以后，蜂窩的變形是不可恢復(fù)，然而，F(xiàn)RP面材具備一定的彈性，在沖擊荷載過(guò)后，恢復(fù)到原來(lái)的位置。 ? 這將導(dǎo)致在局部區(qū)域， 面材和芯材脫離 ，夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能降低。 鋁蜂窩 ? NOMEX蜂窩夾心材料 是由芳綸紙浸酚醛樹(shù)脂制成，在航天、航空結(jié)構(gòu)、船舶制造中具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 ? 和鋁蜂窩相比，發(fā)生局部屈曲的幾率要小得多，因?yàn)榉涓C的壁相對(duì)的要厚一些。 ? ? 另外，因?yàn)?NOMEX材料不導(dǎo)電，不存在接觸腐蝕的問(wèn)題。但是和其它芳綸產(chǎn)品一樣，不能抵抗紫外線的侵蝕 ，使用時(shí)外部通常覆有面板，起到一定的防護(hù)作用。 在有阻燃要求的一些場(chǎng)合，也有使用酚醛泡沫填充蜂窩孔隙，提高材料和面材之間的粘結(jié)性能和結(jié)構(gòu)隔熱性能。例如，在公共交通工具內(nèi)使用時(shí)。 在航空領(lǐng)域，一些常見(jiàn)的使用 NOMEX蜂窩的結(jié)構(gòu)有：機(jī)翼的前緣和尾翼，起落架艙門、其它各種艙門和整流罩。 NOMEX蜂窩 紙蜂窩 ? 普通紙蜂窩由于強(qiáng)度很低，吸水，不在復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中使用。 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的局限性 ? 盡管蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)性能上有突出的優(yōu)點(diǎn)，但是 航空公司還是在尋找其它更好的材料來(lái)代替 ， ? 原因是蜂窩夾心材料在各種用途的使用過(guò)程中需要昂貴的維護(hù)費(fèi)用 。 ? 因?yàn)樵谝恍┨厥馇闆r下， 蜂窩會(huì)進(jìn)水 。 ? 例如， 面板出現(xiàn)裂縫以后。在低溫下，蜂窩孔隙中的水凍結(jié)，發(fā)生膨脹，會(huì)破壞相鄰的蜂窩孔隙 。 ? 聚合物泡沫是一種最常用的芯材。 ? 主要有， ? 聚氯乙烯（ PVC）、聚氨酯（ PU）、 ? 聚苯乙烯（ PS）、聚甲基丙烯酸亞胺（ PMI）、 ? 聚醚酷亞膠（ PEL） ? 和丙烯腈一苯乙烯（ SAN或 AS）， ? 密度從 30kg／ m3到 300kg／ m3不等。 ? 通常在復(fù)合材料中，使用的泡沫密度在 40kg／ m3－ 200kg／ m3之間。 泡沫材料 聚氯乙烯 PVC泡沫 ? 聚氯乙烯 PVC泡沫是一種閉孔泡沫。嚴(yán)格的講，它實(shí)際上是 PVC和聚氨酯混合物，但常常都簡(jiǎn)單的說(shuō)成 PVC泡沫。 ? PVC泡沫具有綜合的靜力和動(dòng)力性能，不易受潮。使用溫度在 240℃ －＋ 80℃ ，并且能夠耐多種化學(xué)物質(zhì)腐蝕。 ? 盡管 PVC泡沫是可燃材料，但是阻燃類型的 PVC泡沫可以在具有防火嚴(yán)格要求的結(jié)構(gòu)中，例如列車。 ? PVC泡沫耐苯，所以能夠和聚酯樹(shù)脂共同使用。 ? ? PVC泡沫主要用在一些不需要壓力罐的工藝中。在選擇固化工藝方法時(shí)，需要注意 PVC泡沫在溫度升高時(shí)會(huì)釋放孔隙氣體。 聚氯乙烯 PVC泡沫 ? 有兩種主要的 PVC泡沫， 一種是交聯(lián) ， 另外一種是非交聯(lián)（有時(shí)也叫做線性 PVC泡沫） 。 線性 PVC，即非交聯(lián) PVC泡沫（例如AirexR63． 80），兼具良好韌性和柔性，可以按照曲面形狀熱成形。但是，線性 PVC的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性（耐苯）和熱變形性能和交聯(lián)的 PVC泡沫相比，在相同的密度條件下，相對(duì)要低一些。 交聯(lián) PVC的硬度和脆性較高。在高溫下，不容易變軟或發(fā)生蠕變。常見(jiàn)的交聯(lián) PVC產(chǎn)品有 Herex C系列泡沫、 DivinycellH和 HT泡沫以及 POlimex Klegecell和 Termanto的 PVC泡沫 。 其它泡沫材料 ? 聚苯乙烯 PS泡沫 廣泛用在船舶、沖浪板制造行業(yè)。雖然其擁有重量輕（ 40kg／ m3），成本低，易于機(jī)械加工等主要優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)榱W(xué)性能差，很少在高性能結(jié)構(gòu)構(gòu)件中使用。另外，這種泡沫不能和聚酯樹(shù)脂同時(shí)使用，因?yàn)闃?shù)脂中含有的苯會(huì)溶化泡沫。 ? 聚氨酯 PU泡沫 的力學(xué)性能表現(xiàn)一般，樹(shù)脂芯材的界面發(fā)生老化，導(dǎo)致面板剝離。作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)，常常是用作構(gòu)件的加強(qiáng)筋或加勁肋。但是聚氨酯泡沫也能用作荷載較小情況下的夾層層板中，起到隔熱作用。該類泡沫的使用溫度是 150℃