復合材料夾層結構分析.ppt

第五章夾層結構設計Designofsandwichstructure 1夾層結構的原理2夾層結構的特點3夾層結構的制造技術4蜂窩的工程彈性常數計算5夾層結構的失效模式 夾層結構通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子膠接而成 具有質量輕 彎曲剛度與強度大 抗失穩(wěn)能力強 耐疲勞 吸音和隔熱等優(yōu)點 夾層結構 Asandwichpanel 12mmthickness withanaluminiumfoamcoreandtwosteelfaceplates Sweden a TheBeechStarship b Voyager 一夾層結構的原理 在航空 風力發(fā)電機葉片 體育運動器材 船舶制造 列車機車等領域 大量使用了夾層結構 減輕重量 在夾層結構中 使用低密度夾心材料增加層合板的厚度 從而達到提高材料剛度的目的 這樣在重量增加很少的前提下 大幅度的提高結構的剛度 一夾層結構的原理 在彎曲荷載下 面層材料主要承擔拉應力和壓應力 芯材主要承擔剪切應力 同時 對于很薄的薄壁夾層結構 還需要注意荷載的施加方式對夾層結構的影響和夾層結構對沖擊荷載的承受能力 采用夾層結構方式是為了提高材料的有效利用率和減輕結構重量 以梁板構件為例 在使用過程中 一要滿足強度要求 二要滿足剛度的需要 夾層結構得以發(fā)展的主要原因 玻璃鋼材料的特點是強度高 模量低 因此 用單一的玻璃鋼材料制造梁板 滿足強度要求時 撓度往往很大 如果按允許撓度進行設計 則強度大大超過 造成浪費 只有采用夾層結構形式進行設計 才能合理的解決這一矛盾 這也是夾層結構得以發(fā)展的主要原因 夾層結構得以發(fā)展的主要原因 夾層結構分類 夾層結構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 則稱為金屬夾層結構 用玻璃鋼薄板 木質膠合板和無機復合材料板做蒙皮 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構 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構應用最廣 夾層結構的特點 1 具有大的彎曲剛度 重量比 彎曲強度 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 對濕熱環(huán)境敏感 設計時要防潮密封5 面板對低能沖擊敏感6 修補困難 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 復合材料等 以滿足不同的使用要求 2夾層材料 選擇面板時 主要考慮的是材料的剛度和強度 表1幾種常用板材重量剛性比較 表2鋁蜂窩板抗風壓力能力 面板的鋪層方式 夾心材料 選擇面板時 主要考慮的是材料的剛度和強度 但是對于芯材的選擇 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 面板能保持穩(wěn)定 夾心材料有時還必須承受一定的應力 芯材主要承受的剪應力 有時還存在壓應力 芯子材料密度低 有足夠的強度和剛度 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 價格低 對于某些特殊構件 要考慮芯子的電性能 導熱性能以及阻燃 防毒和防煙霧性能等 電性能 導熱性以及阻燃 防毒和防煙霧性能等 芯子材料選擇應遵循的原則有 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 是一種強度 重量比最高的結構材料 同時價格也比較便宜 根據不同的設計和制作工藝 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 在使用現場進行張拉 鋁蜂窩夾心材料在一定的重量條件下 可以做得很薄 然而 這種薄壁可能會導致蜂窩的表面 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使用 由于這兩種材料都不是絕緣材料 會發(fā)生接觸腐蝕 對蜂窩材料作接觸腐蝕的內部檢查成本很高 鋁蜂窩 通過敲擊可以初步檢查蜂窩材料的質量和損壞情況 鋁蜂窩材料還有一個缺陷就是沒有 力學記憶 夾心層板受到沖擊以后 蜂窩的變形是不可恢復 然而 FRP面材具備一定的彈性 在沖擊荷載過后 恢復到原來的位置 這將導致在局部區(qū)域 面材和芯材脫離 夾層結構的力學性能降低 鋁蜂窩 NOMEX蜂窩夾心材料是由芳綸紙浸酚醛樹脂制成 在航天 航空結構 船舶制造中具有廣泛的應用領域 和鋁蜂窩相比 發(fā)生局部屈曲的幾率要小得多 因為蜂窩的壁相對的要厚一些 另外 因為NOMEX材料不導電 不存在接觸腐蝕的問題 但是和其它芳綸產品一樣 不能抵抗紫外線的侵蝕 使用時外部通常覆有面板 起到一定的防護作用 在有阻燃要求的一些場合 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性能和結構隔熱性能 例如 在公共交通工具內使用時 在航空領域 一些常見的使用NOMEX蜂窩的結構有 機翼的前緣和尾翼 起落架艙門 其它各種艙門和整流罩 NOMEX蜂窩 紙蜂窩 普通紙蜂窩由于強度很低 吸水 不在復合材料夾層結構中使用 蜂窩夾層結構的局限性 盡管蜂窩夾層結構在結構性能上有突出的優(yōu)點 但是航空公司還是在尋找其它更好的材料來代替 原因是蜂窩夾心材料在各種用途的使用過程中需要昂貴的維護費用 因為在一些特殊情況下 蜂窩會進水 例如 面板出現裂縫以后 在低溫下 蜂窩孔隙中的水凍結 發(fā)生膨脹 會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 嚴格的講 它實際上是PVC和聚氨酯混合物 但常常都簡單的說成PVC泡沫 PVC泡沫具有綜合的靜力和動力性能 不易受潮 使用溫度在 240 80 并且能夠耐多種化學物質腐蝕 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格要求的結構中 例如列車 PVC泡沫耐苯 所以能夠和聚酯樹脂共同使用 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 需要注意PVC泡沫在溫度升高時會釋放孔隙氣體 聚氯乙烯PVC泡沫 有兩種主要的PVC泡沫 一種是交聯 另外一種是非交聯 有時也叫做線性PVC泡沫 線性PVC 即非交聯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的力學性能 化學穩(wěn)定性 耐苯 和熱變形性能和交聯的PVC泡沫相比 在相同的密度條件下 相對要低一些 交聯PVC的硬度和脆性較高 在高溫下 不容易變軟或發(fā)生蠕變 常見的交聯PVC產品有HerexC系列泡沫 DivinycellH和HT泡沫以及POlimexKlegecell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 易于機械加工等主要優(yōu)點 但是因為力學性能差 很少在高性能結構構件中使用 另外 這種泡沫不能和聚酯樹脂同時使用 因為樹脂中含有的苯會溶化泡沫 聚氨酯PU泡沫的力學性能表現一般 樹脂芯材的界面發(fā)生老化 導致面板剝離 作為結構材料使用時 常常是用作構件的加強筋或加勁肋 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 左右 同時吸聲性能好 泡沫的機械加工成形簡單 其它泡沫材料 聚醚酸亞膠PEI泡沫 由聚醚酸亞胺 聚醚砜發(fā)泡而成 具有很高的使用溫度和良好的防火性能 盡管價位相對較高 但是這種泡沫可以在有結構要求 高溫情況下 具有防火要求的部位使用 其使用溫度在 194 到十180 之間 由于能滿足嚴格的防火阻燃要求 適合在飛機和列車內使用 聚甲基丙烯酸亞胺PMI泡沫是德國德固賽公司生產 商標是ROHACELL 在所有的泡沫中 相同密度的條件下對比 是強度和剛度最高的泡沫 其高溫下耐蠕變性能使得該泡沫能夠適用高溫固化的樹脂和預浸料 PMI泡沫在適當的高溫處理以后 能承受190 的固化工藝對泡沫的尺寸穩(wěn)定性的要求 在航空領域中得到了廣泛的應用 PMI泡沫是采用固體發(fā)泡工藝制作 泡沫的孔隙基本一致 均勻的100 閉孔泡沫 其它泡沫材料 PMI泡沫適用于多個領域 包括電子 運載火箭 航空 鐵路機車 船舶以及天線 雷達天線罩 體育器材等 目前在國外的主要應用有 美國的Delta運載火箭的整流罩 日本三菱的Hll A運載火箭的整流罩 日本新干線的火車頭 通用 西門子等公司的醫(yī)療床板 Vestas的風力發(fā)電機葉片 還有導彈 直升機和飛機項目 丙烯腈一苯乙烯SAN泡沫 性能和韌性與增強后的交聯PVC泡沫相似 具有交聯PVC的大部分靜力特性 但是延伸率和韌性相比更高 和普通以及韌性增強后的交聯PVC相比 抗沖擊性能因此也更好 和韌性增強的PVC不同 PVC是使用塑性劑來提高聚合物的韌性 而SAN泡沫是聚合物本身具有的韌性特點 不會發(fā)生老化 其它泡沫材料 在大多數應用場合 可以用SAN泡沫代替線性PVC泡沫 因為SAN泡沫具有部分線性PVC的韌性和延伸率的同時 還有更好的耐高溫性能和靜力性能 SAN泡沫能夠熱成形 可以方便的構筑結構的曲面 熱穩(wěn)定型的SAN泡沫也能和低溫固化預浸料共同使用 常見的SAN泡沫產品有ATCCore Cell公司的A一系列泡沫 Foamcorematerial PVC Polyvinylchloride PMI Polymethacrylimide 木材 木材可以看成是一種天然的蜂窩材料 因為它的微觀結構和六邊型的人造蜂窩的孔隙相似 在夾層結構中使用時 要求木材的纖維方向和面板相垂直 這樣 構件的力學性能和使用人造的蜂窩相似 但是 盡管可以進行各種各樣的化學處理 所有的木質芯材還是會受到濕氣的影響 如果沒有被面材或樹脂密封的話 木質芯材會發(fā)生腐爛 木材 端面巴薩木是最常用的木材芯材 巴薩木最先是在19世紀40年代 在飛艇的船體中使用鋁面板和巴薩木芯材 抵抗在水面著陸時受到的重復的沖擊荷載 隨后 開始在海洋結構中使用端面巴薩木作為FRP結構的芯材 巴薩木除了具有高的壓縮性能 還有很好的隔熱性能和隔音性能 在加熱以后 材料不會發(fā)生變形 在遇火時 用作隔熱層和燒蝕層 芯層慢慢燒焦 使未遇火的面材保持結構性能 同時 巴薩木還能提供向上的浮力 其加工工具和設備簡單 巴薩木芯材產品一般有織物背村 3 50mm厚 具有一定輪廓 剛性端面巴薩木板材的厚度可以達到100mm 針對真空袋 預浸料工藝或壓力基礎上的制造工藝藝過程 例如RTMI藝 這種板材可以預先采用樹脂涂覆 巴薩木的一個缺點是最小密度偏大 通常最小密度值大約是100kg m3 但在層會的過程中 巴薩木還要吸收大量的樹脂 為了減少樹脂的吸收增加重量 可以預先用泡沫密封 巴薩木的應用通常限制在那些重量不是要求很高或局部承載力要求很高的地方 木材 另外一種常用作夾層結構芯材的木材是松木 船舶結構中 常常以松木條板 加上復合材料面板 松木的木材纖維方向和層板的面板平行 松木纖維沿船的長度方向 提供縱向的剛度 在FRP面材中纖維以 45 向鋪放 提供扭轉剛度 保護木材芯層 其它芯材材料 雖然通常這些材料不是真正意義上的夾層結構芯材 但是也常用一些低密度 薄層織物降低單層層板的密度 例如 CorematTM和SpheretexTM等含有大量孔隙的無紡布氈 厚度通常只有1一3mm厚 象層板中的一個層 在鋪設過程中 鋪層樹脂會浸潤無紡布氈 這樣樹脂代替孔隙以后 中間織物的重量和泡沫或蜂窩相比 要重得多 但是和相同厚度的玻璃纖維層合板相比 要輕一些 由于很薄 它很容易做成二維曲面 操作方便簡單 NOMEX 鋁蜂窩產品 BAMTRINRH型芳綸紙蜂窩芯材常用規(guī)格 性能 Mpa 夾層結構中的膠粘劑分為板芯膠 芯與骨架元件 如梁 肋 粘接膠以及芯子與芯子拼接膠三類 其中板芯膠最為重要 膠粘劑 3玻璃鋼夾層結構 由于玻璃鋼夾層結構的強度高 重量輕 剛度大 耐腐蝕 電絕緣及透微波等 目前已廣泛用于航空工業(yè)和宇航工業(yè)的飛機 導彈 飛船及樣板 屋面板 能大幅度的減輕建筑物的重量和改善使用功能 透明玻璃鋼夾層結構板 已廣泛用于寒冷地區(qū)的工業(yè)廠房 大型公用建筑及溫室的采光屋頂 應用 3玻璃鋼夾層結構 在造船和交通領域 玻璃鋼夾層結構廣泛用于玻璃鋼潛艇 掃雷艇 游艇中的許多構件 我國設計制造的玻璃鋼過街人行橋 公路橋 汽車和火車保溫泠藏車等 均采用了玻璃鋼夾層結構 滿足了重量輕 強度高 剛度大 隔熱 保溫等多性能要求 在要求透微波的雷達罩中 玻璃鋼夾層結構已成為其它材料不能與之相比的專用材料 應用 玻璃鋼夾層結構的種類與特點 根據夾層結構所用的芯材種類和形式不同 玻璃鋼夾層結構分為 泡沫夾層結構 蜂窩夾層結構 梯形板夾層結構 矩形夾層結構圓形夾層結構 玻璃鋼夾層結構的種類與特點 1 泡沫塑料夾層結構泡沫塑料夾層結構是采用玻璃鋼薄板作蒙皮 面板 泡沫塑料做夾芯層 泡沫塑料夾層結構的最大特點是蒙皮和泡沫塑料夾芯層粘接牢固 受力不大和保溫隔熱性能要求高的部件 如飛機尾翼 保溫通風管道及樣板等 2 蜂窩夾層結構蜂窩夾層結構是采用玻璃鋼薄板作蒙皮 蜂窩材料 玻璃布蜂窩 紙蜂窩或其它棉布及鋁蜂窩等 做夾芯層 蜂窩夾層結構的重量輕 強度高 剛度大 多用作結構尺寸大 強度要求高的結構件 如玻璃鋼橋的承重板 球形屋頂結構 雷達罩 反射面 冷藏車地板及箱體結構等 玻璃鋼夾層結構的種類與特點 3 梯形和矩形帶頭作用層結構這種帶頭作用層結構的面板 蒙皮 為玻璃鋼薄板 夾芯層是玻璃鋼梯形板或矩形板 這種夾層結構方向性強 僅適用于做高強平板 不宜用于彎曲形狀的制品 4 圓環(huán)形夾層結構它是用玻璃鋼薄板作蒙皮 用玻璃鋼圓環(huán)做夾芯層 這種夾層結構的特點是芯材耗量少 強度比較高 平板受力無方向性 最適宜做采光用的透明玻璃鋼夾層結構板材 具有遮擋少 透光率高的特點 4蜂窩夾層結構 蜂窩夾層結構是一種先進的受力結構 具有重量輕 強度高等優(yōu)異性能 被廣泛應用于航空航天及軍事領域 蜂窩材料是一種用于夾層結構的輕質材料 芳綸紙 Nomex 蜂窩具有高的比強度和比剛度 突出的耐腐蝕性和自熄性 優(yōu)良的耐環(huán)境性和熱絕緣性 獨特的介電性能和高溫穩(wěn)定性 優(yōu)異的工藝性 廣泛用于航空航天 船舶 火車和體育用品 鋁蜂窩夾層結構復合材料 可根據使用要求選擇不同的組合 芯材選擇不同的規(guī)格 面板可選擇鋁 不銹鋼 玻璃鋼 天然石材 防火板裝飾板 噴塑金屬板等 以滿足不同的使用要求 鋁蜂窩夾層結構的特性 1 重量輕 強度高 剛性好2 壽命長耐久型蜂窩的鋁箔經化學處理后具有很高的耐腐蝕性能 使用時間可達20年以上 長期使用溫度可達150攝氏度 3 突出的綜合功能減振抗沖擊性好 能量吸收能力為150 350KJ M3 良好的隔音降噪功能 對100 3200Hz的聲源降噪可達20 33dB 隔熱保溫 導熱系數為0 104 0 130W mK 防火阻燃性好 可根據使用要求達到不同的防火等級 4 極高的外觀平直度 不易變形5 材料的加工適應性好結構安裝方便 快捷 5夾層結構制造技術 夾層結構一般是由三層材料制成的復合材料 夾層復合材料的上下面層是高強度 高模量材料 中間層是較厚的輕質材料 夾層結構實際上是復合材料與其它輕質材料的再復合 蜂窩夾層結構制造技術 1 蜂窩種類蜂窩的強度與選用原材料和蜂窩幾何形狀有關 根據平面投影幾何形狀 蜂窩夾芯材料可分為六邊形 菱形 矩形 正弦曲線形和有加強帶六邊形等 在這些蜂窩夾芯材料中 以加強帶六邊形強度最高 正方形蜂窩次之 由于正六邊形蜂窩制造簡單 用料省 強度也較高 故應用最廣 2 原材料 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構應用最廣 玻璃纖維布 增強材料 生產玻璃鋼夾層結構的玻璃布分為面層布和蜂窩布兩種 面層布是經過增強處理的中堿和無堿平紋布 其厚度一般為0 1 0 2mm 為加強蒙皮和蜂窩之間的粘度強度 常在兩者之間加一層短切玻璃纖維氈 選用含蠟玻璃布做蜂窩材料 可以防止樹脂浸透到玻璃布背面 減少蜂窩塊層間的粘接 有利于蜂窩成孔拉伸 2 原材料 紙生產蜂窩夾層結構的紙 要求有良好的樹脂浸潤性和足夠的拉伸強度 起皺 凹槽 2 原材料 粘接劑 樹脂 制造蜂窩夾層結構用的樹脂分蒙皮用樹脂 蜂窩用樹脂和蜂窩與蒙皮粘接用樹脂 根據夾層結構的使用條件 可分別選用環(huán)氧樹脂 不飽和聚酯樹脂 酚醛樹脂 有機硅樹脂及鄰苯二甲酸二丙烯酯等 制造蜂窩膠條時 通常采用環(huán)氧樹脂 改性酚醛樹脂 聚醋酸乙烯酯膠和聚乙烯醇縮丁醛膠等 在這些膠粘劑中 環(huán)氧樹脂粘接強度高 改性酚醛樹脂價格低 故應用較多 聚醋酸乙烯酯膠無毒 價格便宜 可以室溫固化 但用此膠制造的蜂條 不能浸聚酯膠膠液 因為聚酯樹脂中的苯乙烯能溶解聚醛酸乙烯 使蜂條開膠 破壞 3 蜂窩夾芯制造 生產玻璃布夾芯材料時 主要是膠接拉伸法 其工藝過程是 先在制造蜂窩芯材的玻璃布上涂膠條 然后重疊粘接成蜂窩疊塊 固化后按需要蜂窩高度切成蜂窩條 經拉伸預成型 最后浸膠 固化定型成蜂窩芯材 制造蜂窩夾芯疊塊的膠條上膠法 可以采用手械涂膠 也可以使用機械化涂膠 蜂窩生產線 NOMEX 鋁蜂窩 Nomex蜂窩浸漬機 蜂窩拉伸機 Nomex蜂窩涂膠機 鋁箔清洗機 涂膠機2臺 拉伸機1臺 浸膠設備1套 切紙機1臺 片切機1臺 鋁箔清洗及表面處理機1臺 鋸切機1臺 4 蜂窩夾層結構制造 玻璃布蜂窩夾層結構制造技術分濕法和干法兩種 干法成型此法是先將蜂窩夾芯和面板作好 然后再將它們粘接成夾層結構 為了保證芯材和面板牢固粘接 常在面板上鋪一層薄氈 浸過膠 鋪上蜂窩 加熱加壓 使之固化成一體 這種方法制造的夾層結構 蜂芯和面板的粘接強度可提高到3MPa以上 干法成型的優(yōu)點主要是產品表面光滑 平整 生產過程中每道工序都能及時檢查 產品質量容易保證 缺點是生產周期長 濕法成型 濕法成型是面板和蜂窩夾芯均處于未固化狀態(tài) 在模具上一次膠接成型 生產時 先在模具上制好上 下面板 然后將蜂窩條浸膠拉開 放到上 下面板之間 加壓 0 01 0 08MPa 固化 脫模后修整成產品 濕法成型的優(yōu)點是蜂窩和面板間粘接強度高 生產周期短 最適合于球面 殼體等異形結構產品生產 其缺點是產品表面質量差 生產過程較難控制 片切機 蜂窩 蜂窩夾層結構 泡沫塑料夾層結構制造技術 1 原材料泡沫塑料夾層結構用的原材料分為面板 蒙皮 材料 夾芯材料和粘接劑 面板材料主要是用玻璃布和樹脂制成的薄板 與蜂窩夾層結構面板用的材料相同 粘接劑面板和夾芯材料的粘接劑 主要取決于泡沫塑料種類 如聚苯乙烯泡沫塑料 不能用不飽和聚酯樹脂粘接 泡沫塑料夾層結構制造技術 泡沫夾芯材料泡沫塑料的種類很多 其分類方法有兩種 一種是按樹脂基體分 可分為 聚氯乙烯泡沫塑料 聚苯乙烯泡沫塑料 聚乙烯泡沫塑料 聚氨酯泡沫塑料 酚醛 環(huán)氧及不飽和聚酯等熱固性泡沫塑料等 另一種是按硬度分 可分為硬質 半硬質和軟質三種 用泡沫塑料芯材生產夾層結構的最大優(yōu)點是防寒 絕熱 隔音性能好 質量輕 與蒙面粘接面大 能均勻傳遞荷載 抗沖擊性能好等 2 泡沫塑料制造技術 生產泡沫塑料的發(fā)泡方法較多 有機械發(fā)泡法 惰性氣體混溶減壓發(fā)泡法 低沸點液體蒸發(fā)發(fā)泡法 發(fā)泡劑分解放氣發(fā)泡法和原料組分相互反應放氣發(fā)泡法等 機械發(fā)泡法利用強烈機械攪拌 將氣體混入到聚合物溶液 乳液或懸浮液中 形成泡沫體 然后經固化而獲得泡沫塑料 惰性氣體混溶減壓發(fā)泡法利用惰性氣體 如氮氣 二氧化碳等 無色 無臭 難與其它化學元素化合的原理 在高壓下壓入聚合物中 經升溫 減壓 使氣體膨脹發(fā)泡 2 泡沫塑料制造技術 低沸點液體蒸發(fā)發(fā)泡法將低沸點液體壓入聚合物中 然后加熱聚合物 當聚合物軟化 液體達到沸點時 借助液體氣化產生的蒸氣壓力 使聚合物發(fā)泡成泡沫體 化學發(fā)泡劑發(fā)泡法借助發(fā)泡劑在熱作用下分解產生的氣體 使聚合物體積膨脹 形成泡沫塑料 原料化學反應發(fā)泡法此法是利用能發(fā)泡的原料組分 相互反應放出二氧化碳或氮氣等使聚合物膨脹發(fā)泡成泡沫體 3 泡沫塑料夾層結構制造 泡沫塑料夾層結構的制造方法有 預制粘接法 現場澆注成型法和連續(xù)機械成型法三種 預制粘接法將蒙皮和泡沫塑料芯材分別制造 然后再將它們粘接成整體 預制成型法的優(yōu)點是能適用各種泡沫塑料 工藝簡單 不需要復雜機械設備等 其缺點是生產效率低 質量不易保證 3 泡沫塑料夾層結構制造 整體澆注成型法先預制好夾層結構的外殼 然后將混合均勻的泡沫料漿澆入殼體內 經過發(fā)泡成型和固化處理 使泡沫漲滿腔體 并和殼體粘接成一個整體結構 連續(xù)成型法適用于生產泡沫塑料夾層結構板材 Lattice Truss 6JOINTSSANDWICHPANELS 膠接 螺栓連接 與層合板連接基本相同 夾層結構的邊緣處理與局部增強 平直接頭角接頭 夾層板端部的增強方式 夾板端部的增強方式 蜂窩夾層結構的密度計算 7蜂窩夾層結構的工程計算 HoneycombSandwichConstruction 面板 由于彎曲引起的正應力 芯材 剪應力 強度 剛度 面板 高強 高模量材料制造 Carbon EpoxyGlass epoxy金屬 粘接層 泡沫塑料金屬 非金屬蜂窩波紋板柵格 粘接層 剪應力 FaceSheet Adhesive Honeycombcore Adhesive FaceSheet t1 t2 h 蜂窩夾層結構的密度 c d c d ts 正六變形蜂窩 彈性性能 蜂窩壁材料的彈性模量 3 參考文獻 AB撓度 AB伸長量 彎曲 拉伸 等效應變 第8夾層結構分析 層合板在承受彎曲載荷時 遠離中面的鋪層可提供較大的抗彎剛度 因此在設計受彎矩的結構物時把彈性模量大 強度高的材料配置在遠離中面的部位 中面附近受力較小 可以使用強度和模量較低的材料 夾層結構 夾層結構分析基礎 彎曲時 面板主要承受面內拉伸 壓縮 面內剪應力芯材主要承受橫向剪應力 且沿厚度均勻分布 假設1 薄的面板只承受面內應力2 芯材主要承受橫向剪應力 且沿厚度均勻分布 3 夾層板變形時 且不計對應力的影響 均等于零 夾層板的受力分析與幾何要素 由于面板為層合板 芯材為各向同性材料構成的夾層板 并作用彎矩由假設 2 對于芯材 橫向剪力 芯材厚度 如果芯材的剪切模量為Gc 橫向剪切應變 常數 積分后 夾層板變形時芯材的轉角 參考面的面內位移 上下面板中點處的位移為 i 1 上面板i 2 下面板 對應的應變 i 1 上面板i 2 下面板 由假設 1 上下面板只承受面內載荷 由層合板的內力公式 整個夾層板的內力為 i 1 上面板i 2 下面板 夾層板的內力矩 夾層板的內力與應變關系 A A 1 A 2 B A 1 h2 A 2 h1 如果參考平面為夾層板的幾何平面 并且上下表面的厚度與材料相同 上下面板中面之間的距離 夾層板的力矩平衡方程 作用在夾層板上的z向分布載荷 對于面板為正交各向異性材料的夾層板 夾層板的彎曲控制方程 如果給出邊界條件 就可以解出位移w與轉角 最終可以確定內力等 第九Failuremode 夾層結構的破壞模式 1 夾層結構破壞模式 破壞方式 芯子橫向剪切 剪切起皺 面板格間失穩(wěn) 面板起皺失穩(wěn) 面板起皺失穩(wěn) 面板起皺失穩(wěn) 總體失穩(wěn) 總體失穩(wěn) 總體失穩(wěn) 芯子局部蹋陷 起皺現象 對稱 反對稱 反對稱 整體屈服 剪切 面板起皺 對稱 反對稱 第十夾層結構設計 目的 減輕結構重量 增大剛度 減少昂貴的表板材料的用量 夾層結構的特點 夾層結構設計原則 總體原則在設計載荷作用下 滿足剛度與強度的要求 1 表板的厚度要能夠承受設計載荷的拉壓載荷與面內剪切載荷2 夾芯應有足夠的強度 能夠承受設計載荷作用下的橫向剪力 3 夾芯的壓縮彈性模量和表板的抗壓強度足以防止表板在設計載荷下的起皺4 夾芯應有足夠的彈性模量和抗壓強度 以防止法向載荷與撓曲變形所產生的壓蹋破壞 5 夾層結構應有足夠的彎曲和剪切剛度 夾芯應該有足夠的厚度和剪切模量 以滿足撓曲變形的設計要求 夾層結構設計原則 6 夾芯的厚度和剪切模量應足夠大 防止受壓時夾層結構總體屈曲7 蜂窩夾芯的尺寸應足夠小 以防止在設計載荷下表板出現凹陷8 夾層壁板的封口的連接處應有足夠的強度 能夠把夾芯和表板連接在一起 能將載荷傳遞到結構的其它部分9 表板 夾芯 粘結擠應匹配 要有良好的工藝性 夾層結構設計原則 在設計載荷下 面板的面內應力應小于材料強度 或在設計載荷下 面板應變小于設計許用應變 芯子應有足夠的厚度 高度 及剛度 芯子應有足夠的彈性模量和平壓強度 以及足夠的芯子與面板平拉強度 面板應足夠厚 蜂窩芯格尺寸應合理 應盡量避免夾層結構承受垂直于面板的平拉或平壓局部集中載荷 膠粘劑必須具有足夠的膠接強度 同時還要考慮耐環(huán)境性能和老化性能 碳纖維層合面板與鋁蜂窩芯子膠接面要注意防止電偶腐蝕問題 對雷達罩等有特殊要求的夾層結構 面板 芯子和膠粘劑選擇必須考慮電性能 阻燃 毒性和煙霧等特殊設計要求 2 夾層結構設計準則 結構設計的步驟 第一步 根據外載大小 初步確定夾層結構形式及尺寸 第二步 根據初定結構 用有限元法 或工程設計計算方法 確定內力及支反力 第三步 根據第二步的分析結果 按強度準則修改芯子密度及面板厚度 第四步 根據修改后的結構尺寸 再進行有限元應力分析 并進行詳細的強度校核 檢查其強度 剛度和穩(wěn)定性是否滿足要求 重復第三至第四步 直至得到合適的設計結果 夾層結構細節(jié) 1 邊緣閉合設計邊緣閉合有兩種基本形式 面板折成斜面閉合 如圖a 和邊緣連接件閉