蜂窝夹芯结构

蜂窝夹芯结构（精选3篇）

蜂窝夹芯结构 篇1

摘要：对不同构型薄蜂窝复合材料夹芯结构侧向压缩响应进行了试验研究,研究参数包括芯材高度、芯材密度和面板刚度。结果表明,蜂窝芯材高度严重影响蜂窝结构失稳载荷和峰值载荷,而上下面板的刚度不对称性会严重降低失稳载荷却对峰值载荷影响不大。薄蜂窝复合材料夹芯结构的整体破坏过程与芯材密度、芯材高度均有关系,而受刚度不对称性影响不大。薄蜂窝复合材料夹芯结构在侧向压缩载荷下的主要失效模式是蜂窝芯材剪切破坏,通过高速摄像机对蜂窝局部进行观察,发现失效起始于单个蜂格的剪切破坏,导致其高度降低,继而引起上下两侧蜂格破坏,并且迅速扩展到上下约3个蜂格,导致载荷突降。若继续加载,破坏继续向两侧蜂格扩展,且载荷基本不变。

关键词：复合材料,薄蜂窝夹芯结构,失稳载荷,峰值载荷,破坏过程

复合材料具有比强度、比刚度高、材料力学性能可设计性等优点,是轻质高效结构设计的最理想材料。复合材料的应用和发展是大幅度提高飞机安全性、经济性、舒适性和环保性的重要保证,现代大型客机复合材料用量已经成为其先进性和市场竞争力的标志[1]。复合材料层合板为夹芯结构常用面板材料,而芯材通常是金属、非金属蜂窝、泡沫、轻木或桁架。在弯曲和面内载荷下,面板承受几乎全部载荷,而芯材能够稳定面板和承受厚度方向的剪切载荷。夹层结构具有多样的失效模式,包括面板压缩破坏、面板与芯材脱黏、凹陷失效、芯材破坏以及面板褶皱等[2]。

目前夹芯结构在航空航天工业中得到了广泛应用,其力学特性得到了较为广泛的关注。程小全等[3,4]对于复合材料蜂窝夹芯板冲击后力学性能进行了较为全面的试验研究。泮世东等[5]对于含面芯界面缺陷的复合材料蜂窝夹芯板侧压性能进行了研究,结果表明面板局部失稳是其主要破坏模式。G.A.Kardomateas等人[6,7]对于蜂窝夹芯结构失稳载荷进行了大量研究,提出了不同边界条件下,蜂窝夹芯结构失稳载荷理论计算公式,并对利用欧拉公式、新理论公式、DYNA3D有限元软件以及ABAQUS有限元软件得出的结果进行对比分析,得出新理论公式的有效性。Gdoutos等人[2]也对蜂窝夹芯板和泡沫夹芯板的侧向压缩破坏行为进行了研究,试验结果显示,蜂窝夹芯板在测试中没有发生面板起皱破坏,泡沫夹芯板则发生了面板起皱破坏。F.López Jiménez等人[8]对于横向压缩、横向剪切和压剪复合载荷下蜂窝芯材的屈曲模态进行了研究,发现载荷类型严重影响蜂窝芯材屈曲模态。A.R.Othman等人[9—11]对于平压载荷下复合材料蜂窝夹芯结构损伤起始和扩展特性进行了详细研究,发现蜂窝芯材屈曲破坏是平压载荷突降的主要原因。以上文献表明,在侧向压缩载荷下,复合材料夹芯板的失效机制复杂,芯材破坏是其中典型破坏模式;常用厚度复合材料蜂窝夹芯结构的失稳载荷理论计算已经较为成熟,能够对于大多数夹芯结构进行理论预测;通过有限元计算,蜂窝芯材在多种载荷下的力学响应渐渐得到认识;平压试验中,蜂窝夹芯结构的失效是由蜂壁屈曲起始,进而不断压溃。

目前为止,对于复合材料蜂窝夹芯结构侧向压缩的研究蜂窝高度主要集中在(10~30)mm,对于薄蜂窝(10 mm以下)的研究工作并不多见。本文对于不同蜂窝高度、芯材密度、面板厚度的蜂窝夹芯结构在侧压载荷下的响应进行了全面的研究。对于不同类型蜂窝夹芯结构的失稳载荷和峰值载荷进行对比,得到其关系受不同类型的影响;对比不同类型蜂窝夹芯结构载荷-位移曲线和破坏模式,得到不同参数对于破坏模式的影响;利用高速摄像机对于破坏过程观察,得到侧压载荷下蜂窝夹芯结构的损伤起始和破坏过程。

1 侧压理论计算预估

1.1 复合材料层合板经典理论

复合材料层合板由各向异性的单向板堆叠而成,在计算整个夹芯板结构的等效弯曲刚度时,需要先进行复合材料层合板等效弯曲刚度的计算。

复合材料层合板(包括薄膜-弯曲耦合)的广义本构关系具有如下形式[12]

式(1)中:N为面内载荷;M为弯曲力矩;ε、γ为面内应变;κ为曲率。其中,i,j=1,2,6,对层合板所有n个铺层求和;zk,zk-1是第k个铺层的上下表面的z坐标,如图1所示。

层合板沿加载方向的等效弹性模量为

1.2 欧拉失稳载荷计算

对称面板夹芯结构等效弯曲刚度

式(3)中:f为面板厚度;c为芯材厚度;Ef为面板等效弹性模量;Ec为芯材等效弹性模量;B为夹芯结构宽度。

非对称面板夹芯结构等效弯曲刚度

式(4)中:Ef1、Ef2分别为上下面板等效弹性模量;f1、f2分别为上下面板厚度;

欧拉失稳载荷计算公式为

式(5)中:边界条件为简支时,C=1;边界条件为固支时,C=4。

2 试验

2.1 试件

蜂窝侧压试验件试验段尺寸均为300 mm×150mm,面板材料为T300/BA9913,蜂窝芯材采用NRH型芳纶纸蜂窝芯材,胶膜采用J-272胶膜。试验件变量为:面板厚度、芯材密度以及芯材高度,详细信息见表1。蜂窝侧压试验件总共分为4类(AFT、AET、AFS和BFT),每类6件。

2.2 试验过程

在考查蜂窝夹芯板的侧压性能时,为保证实验顺利进行,使用图2中的夹具完成侧压实验。加载设备使用济南试金公司WDW-200E型材料实验机,固定加载速率为0.5 mm/min。另外,为观察破坏过程,使用高速摄像机对细节部位进行观察。

3 结果与讨论

3.1 失稳载荷与峰值载荷

目前,文献中基本都只关注复合材料蜂窝夹芯结构的屈曲载荷,认为失稳载荷等同于峰值载荷,试验发现失稳载荷与峰值载荷之间有联系,但有时会存在较大的差别。表2为各类试验件的屈曲载荷与峰值载荷。屈曲载荷为应变曲线分岔时的载荷,峰值载荷为整个加载过程中的最大载荷。

从表2中可以看出,不同变量对于峰值载荷的影响不同。AET的峰值载荷为AFT的86.01%,说明芯材密度越小,峰值载荷越低。这是因为蜂窝密度越小,对面板的支持作用越小,整个夹芯结构更容易失稳,最终导致峰值载荷较低。AFS的峰值载荷只有AFT的52.06%,说明芯材高度越小,峰值载荷越低。芯材高度直接影响整个夹层结构的厚度,夹层结构的厚度是蜂窝失稳载荷的重要影响因素。所以改变蜂窝高度,会直接影响蜂窝结构的峰值载荷。BFT的峰值载荷与AFT基本相同,说明上下面板的刚度不同基本不会影响峰值载荷。

此4类蜂窝侧压试验件在峰值载荷出现之前,都出现了失稳现象。前3种类型的试验件(AFT/AET/AFS)的失稳载荷都接近于峰值载荷(约96%),最后一类试验件(BFT)失稳载荷只有峰值载荷的90%,说明上下面板的刚度差别虽然对于峰值载荷的影响不大,但是对于失稳载荷有一定的影响。在此种情况下,失稳载荷就不能简单的等同于峰值载荷。

表3为通过理论计算得到的各类型简支和固支欧拉屈曲载荷。本文试验边界条件没有达到完全固支,处于简支与固支之间。所有类型试验屈曲载荷处于理论简支边界条件欧拉屈曲载荷与固支边界条件欧拉屈曲载荷之间,经典欧拉理论仍然对薄蜂窝复合材料夹芯结构侧压屈曲载荷预测具有指导作用。

3.2 载荷-位移曲线

图3为各种类型试验件的典型载荷-位移曲线。由于采用位移加载方式,所以在峰值载荷之后仍然有试验数据。

BFT曲线形状与AFT基本相同,在载荷达到峰值载荷之后,载荷随着位移会慢慢下降,加载到一定位移之后,试验件破坏;AET与AFT的曲线形状在峰值载荷之后有很大的不同,AET在峰值载荷之后迅速破坏:AET蜂窝密度较低,剪切强度较小,峰值载荷之后,剪切强度迅速达到极限强度。AFS曲线形状与其他三条曲线有明显的不同,峰值载荷之后,又经过了很长的过程,试验件才最终破坏。由于AFS试验件较薄,较低载荷下即发生失稳,试验件会产生弯曲,但此时由于整体载荷较低,蜂窝实际剪切载荷小于极限载荷,整体结构不发生破坏。此时继续加载,肉眼观察即能发现试验件弯曲加剧,由于弯曲角度的增大,蜂窝剪切载荷增大,达到破坏极限,试验件即发生破坏。

3.3 破坏模式

4种试验件的破坏模式如图4。所有试验件的破坏方式都是蜂窝芯材剪切破坏,而且均在试验件长度上1/3区域或者下1/3区域。

表4给出了所有试验件的破坏位置,AFT和BFT的破坏模式主要是上1/3破坏,AFS和AET的破坏模式为上、下1/3处随机蜂窝剪切破坏。

3.4 破坏过程

复合材料蜂窝夹芯结构侧压破坏过程十分迅速,不能用肉眼观察到。本文采用高速摄像机进行拍摄,得到了蜂窝夹芯结构侧压破坏过程,如图5。

试验件均为整体失稳引起的蜂窝剪切破坏,整个过程中面板没有破坏。试验过程中,高速摄像机对试验件蜂窝侧面进行拍摄,图片拍摄间隔为322μs。所有试验件的破坏过程大致分为两类。

AET中(1)为试验件未破坏时图像,蜂窝未出现剪切破坏,此时所有蜂格均匀承受剪切载荷。(2)为试验恰好开始出现破坏时图像,此时一个蜂格开始出现剪切破坏,破坏后的蜂格高度降低,使得上下两个蜂格的剪切力变大,超过剪切极限,因此上下两个蜂格也迅速破坏,出现(3)中的现象。同样的道理,上下其他蜂格也出现破坏,

进而出现(4)、(5)、(6)的现象,最终在长度方向破坏7个蜂格左右试验因载荷突降停止。若在载荷突降之后继续加载,载荷基本不变,但是蜂格会逐渐向上下两个方向破坏。

BFT中(2)图像试验件相对于(1)虽然没有出现明显的蜂格剪切破坏现象,但结构发生了部分弯曲,说明在弯曲位置,蜂格的剪切载荷已经达到极限载荷,甚至已经出现了初步的剪切破坏。(3)中出现了明显的蜂格剪切破坏现象,而且迅速出现了其他蜂格的剪切破坏,进而出现(4)、(5)的现象。

表明薄蜂窝复合材料夹芯结构在侧压过程中主要失效模式是整体失稳引起的蜂窝剪切破坏,起因是整体失稳,引起蜂窝剪切破坏,导致整个结构失去承载能力。

4 结论

对薄蜂窝复合材料夹芯结构在侧向压缩载荷作用下进行了试验研究,观察到了破坏过程,结果表明面板对称性、芯材密度和芯材高度均影响侧压响应。

(1)芯材高度严重影响复合材料蜂窝夹芯结构的失稳载荷和峰值载荷。不同芯材密度和芯材高度复合材料蜂窝夹芯结构的失稳载荷均接近峰值载荷,但上下面板刚度不同显著影响整个复合材料蜂窝夹芯结构失稳载荷与峰值载荷的比例。

(2)复合材料蜂窝夹芯结构整体破坏过程与芯材密度、芯材高度均有关系,而本文中的面板刚度不对称性对其影响不大。

(3)薄蜂窝复合材料夹芯结构在侧向压缩载荷下主要失效模式是蜂窝芯材剪切破坏。失效起始于单个蜂格的剪切破坏,导致其高度降低,继而引起上下两侧蜂格破坏,并且迅速扩展到上下约3个蜂格,导致载荷突降。随着后续的位移加载,破坏继续向两侧蜂格扩展,且载荷基本不变。

参考文献

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蜂窝夹芯结构 篇2

由于夹芯结构具有比强度高、比模量大等众多优点,目前被广泛应用在航空航天等领域.从面板、芯子和面芯界面加强技术等三个方面对夹芯结构的设计和制备现状进行了介绍.重点对蜂窝夹芯结构、泡沫夹芯结构、点阵夹芯结构、格栅夹芯结构和整体夹芯结构等的`设计和制备工艺以及为了提高面芯界面结合强度而不断被提出的包括Z-Pin,Stitch和Embedding等在内的面芯界面增强工艺进行了较为系统的介绍.

作 者：吴林志 泮世东 WU Linzhi PAN Shidong  作者单位：吴林志,WU Linzhi(哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,黑龙江,哈尔滨,150080)

泮世东,PAN Shidong(哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,黑龙江,哈尔滨,150080;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001)

刊 名：中国材料进展 英文刊名：MATERIALS CHINA 年，卷(期)： 28(4) 分类号：V414.6 TB303 关键词：夹芯结构   设计   制备工艺  

蜂窝夹芯结构 篇3

节能降耗、低碳环保是实现可持续发展战略的重要措施。目前,我国建筑能耗已占社会总能耗的1/3,单位面积能耗比气候条件接近的发达国家高2~3倍,建筑供暖造成的空气污染比发达国家水平高2~5倍,供热采暖能耗占社会总能耗的10%,约1.3亿t标准煤。我国既有建筑面积达400亿m2,每年新增建筑面积30亿m2,其中高能耗建筑占95%以上,为此国家将建筑节能指标由50%提高到70%,并对既有建筑逐步进行节能改造,同时要兼顾冬季采暖与夏季空调的能源平衡。国家法改委、住建部发文大力推进“安全实用、节能减排、经济美观、健康舒适”的绿色建筑,推广“在全寿命周期内最大限度地节能、节地、节水、节材,保护环境和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空间,与自然和谐共生的绿色建筑”。绿色建材是绿色建筑的基础,绿色节能墙体板材是绿色建材的一种主要材料,是采用清洁生产技术,使用工业或城市固态废弃物生产的无毒、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康的建筑板材。

纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板,是以仿生正六边形蜂窝结构再生纸芯为中间层、上下覆有粉煤灰水泥板,以纳米绝热胶粘剂粘结而成的夹芯复合板。该板具有强度高、耗材少、质量轻、防震、隔热、隔声、防火、防潮、节能、环保等优点。

1 纸蜂窝夹芯复合板的特点

用再生纸制成蜂窝纸芯板,用粉煤灰水泥制成面板,用纳米绝热胶粘剂将蜂窝纸芯板粘接在2块面板中间成为纸蜂窝夹芯复合板。该板具有质量轻、强度高、防水性好、隔声功能强、隔热性能好、防火性能好、环保性能优、极佳的强度/质量比和刚性/质量比等优点,性价比高。从力学角度分析,封闭的六角等边形蜂窝结构,能以最少的材料获得最大的受力,其垂直荷载与同厚度的实心板几乎相等,但质量却轻70%~90%,且不变形、不开裂、不易断裂。因为这种多墙面排列的蜂窝形网状结构,可以分散和承担来自各方面的压力,使蜂窝结构对挤压力的抵抗力比圆型或正方形高很多。另外,由于它是一种工业化生产的标准化墙板,照明、空调、电视、电话等线管及各类开关、插座等均可在标准墙板上预制,保证了安装过程简单、方便、快捷。由粉煤灰水泥板-纸蜂窝夹芯复合墙板、钢构龙骨、标准连接件现场装配成集成房屋主体。该房屋具有抗震(抗9级地震)、环保、隔声、保温、防火、防潮等特点。水泥板蜂窝复合板被编入《建筑构造通用图集》(华北标BJ系列图集,13BJ2-7)。

2 纸蜂窝夹芯-绝热复合墙板的生产技术

2.1 生产流程

上纸架展纸→双面涂胶机涂胶→八方缠绕机制成蜂窝纸芯→拉伸→喷淋防火防水胶→烘干定型→切割→输送→水泥板底板涂纳米绝热胶→纸芯粘结→水泥板面板涂纳米绝热胶→粘结复合→固化干燥。蜂窝纸芯加工生产线见图1。

图1 蜂窝纸芯加工生产线

2.2 规格

纸蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板规格:长×宽×厚=3000 mm×900 mm×90 mm。

2.3 质量控制

在生产加工纸蜂窝夹芯复合板过程中,其质量控制重点为以下4个环节:

(1)蜂窝纸芯的加工技术是纸蜂窝夹芯复合板的基础。采用100 g/m2的再生纸、高强快干胶粘剂,通过上纸架展纸→双面涂胶机涂胶→八方缠绕机制成具有高粘结强度的蜂窝纸芯。

(2)纸芯的拉伸定型是纸蜂窝夹芯复合板生产的核心环节。生产线中的拉伸设备采用双端双面差速牵引拉伸技术,通过控制牵引速度和供给速度来控制纸芯的拉伸,使纸芯孔径形成均匀的正六边形蜂窝状结构,从而具有最大的“比强度”。

(3)防水防火处理是纸蜂窝夹芯复合板生产的保障环节。采用自制的防水防火胶粘剂对正六边形蜂窝纸芯进行喷淋、烘干定型,使蜂窝纸芯具有防潮、防火、防霉性能,从而解决了普通蜂窝纸芯易燃、易吸潮、易生霉的难题。经防火、防水处理的蜂窝纸芯强硬坚挺,不燃、用水浸泡不软。

(4)粘结复合是纸蜂窝夹芯复合板生产的关键环节。采用自制的防水防火纳米绝热胶粘剂,通过底板涂胶(厚度≥0.5mm)→纸芯粘结→面板涂胶(厚度≥0.5 mm)→粘结复合→固化干燥过程,使纸蜂窝夹芯复合板粘结牢固,各指标符合JG/T169—2005《建筑隔墙用轻质条板》。自制的纳米绝热胶具有无毒环保、防水防火、隔热保温、隔声降噪、粘结力强等特性。

纳米绝热胶粘剂的性能见表1。

表1 纳米绝热胶粘剂的性能

纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合板的结构见图2。

图2 纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合板结构

3 纳米绝热胶粘剂的隔热保温机理

纳米绝热胶粘剂以改性硅酸盐溶液为基料、以无机纳米微孔材料Si O2气凝胶、六钛酸钾晶须、超细陶瓷空心微珠等为填料制成。粘结剂无毒无味、绿色环保,涂层具有薄涂、绝热、防水、防火、抗裂、防腐、隔声、耐高温、耐候、耐久等特性。根据热能的3种传递方式可分为固体热传导、对流热传导和辐射热传导。

(1)固体热传导:以纳米/亚纳米级空心结构材料为填料的胶粘剂中,在基料的作用下相互连接聚集形成纳米三维网络骨架结构,由于近无穷多纳米孔的存在,固体热传递只能沿着孔壁传递,近无穷多气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应,使得固体热导率降到几乎最低极限。

(2)对流热传导:无机纳米微孔材料的介孔尺寸为2~50nm,当材料中的气孔直径小于70 nm时,孔内的空气分子就失去了自由流动的能力,相对地附着在气孔壁上,此时,纳米孔处于近似真空状态,材料中的空气对流减弱到最小极限。由于空气的主要成分是氮气和氧气,局域热激发无法通过空气分子跨越凝胶表面进行对流作用,从而对热对流传热产生隔绝作用[1];亚纳米级封闭微孔内的空气分子虽有自由流动能力,但因体积中所占比例较少,因此对流热传导也很微弱。同时具有阻断空气传声作用,隔声效果明显。

(3)辐射热传导:辐射热传导是一种非接触式的热量传递。由于隔热填料为均匀的纳米/亚纳米级气孔,且具有极低的体积密度,使材料内部气孔壁数目趋于“无穷多”,而每个气孔壁都有遮阳板的作用,从而产生近于“无穷多遮阳板”效应,使辐射传热下降到最低极限[2]。

4 纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板的主要性能

以纳米绝热胶粘接复合的纸蜂窝夹芯墙板与以普通胶粘剂粘接复合的纸蜂窝夹芯墙板相比,隔声、隔热2项性能显著提高。在材质、工艺、规格相同的条件下,分别以纳米绝热胶和普通胶粘接复合的纸蜂窝夹芯墙板的性能测试结果见表2。

表2 纳米绝热胶和普通胶复合纸蜂窝夹芯墙板的性能

热阻R是衡量材料保温隔热性能的重要参数。热阻为导热系数的倒数,热量通过厚度d的材料层所受到的热传递阻力为:R=d/λ。保温材料的热阻R越大,传输的热量越少。导热系数λ越小,热阻越大,绝热性能越好。导热系数λ与材料的密度、孔孔隙特征直接相关,而与材料的厚度无关。在进行建筑热工设计时是以墙体的热阻为计算参数,从而确定保温隔热层的施工厚度。在材质相同的前提下,密度越低导热系数越小;孔隙率越高导热系数越小;孔隙尺寸越小其导热系数越小。

由国家建筑材料质量监督检验中心依照JG/T 169—2005,对纸蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板进行抽样检测,其外观质量、尺寸偏差中各项指标均符合标准要求,物理性能指标如表3所示。

表3 纸蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板的性能

经天津国家固定灭火系统和耐火结构质量监督检验中心检测,纸蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板的耐火极限≥1.0h。

5 纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板的应用效果

纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板可广泛应用于建筑隔墙板、轻钢结构集成房屋围护结构等领域。

(1)纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板可用于影剧院、娱乐厅、写字楼、酒店、居民楼、教室等建筑物的隔墙板,具有保温隔热、隔声降噪、绿色环保、抗震减重、增加使用面积等优点。

(2)纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板用于建筑外墙时,可采用双层复合纸蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板,该双层复合墙板可用于轻钢结构防震集成房屋围护结构、高层建筑外墙、永久性绿色农房外墙等。以双层复合蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板为外墙的建筑物,节能效率可达60%以上。

6 结语

纸蜂窝结构夹芯板的主要原料来自废物再利用,通过对蜂窝纸芯的防火、防水技术处理,有效地解决了纸芯阻燃、防潮、防霉的技术瓶颈。通过采用绿色环保纳米绝热胶粘剂制备的纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板,具有保温隔热、隔声降噪、防火防潮、绿色环保、抗震减重等优点,广泛应用于建筑隔墙板、轻钢结构集成房围护结构等领域。

参考文献

[1]师华,魏薇,武德涛.环保型工业隔热涂料的研制[C]//中国化工学会涂料涂装专委会.高装饰功能性建筑涂料技术研讨会论文集,上海,2011:98-102.