復合材料夾層結(jié)構(gòu)分析

復合材料夾層結(jié)構(gòu)分析第1頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層結(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、彎曲剛度與強度大、抗失穩(wěn)能力強、耐疲勞、吸音和隔熱等優(yōu)點。夾層結(jié)構(gòu)第2頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第3頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第4頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第5頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第6頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三

Asandwichpanel(12mmthickness)withanaluminiumfoamcoreandtwosteelfaceplates

第7頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第8頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第9頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三Sweden第10頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三(a)TheBeechStarship(b)Voyager

第11頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第12頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三一夾層結(jié)構(gòu)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(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。第13頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三一夾層結(jié)構(gòu)的原理

在彎曲荷載下，面層材料主要承擔拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，芯材主要承擔剪切應(yīng)力，同時，對于很薄的薄壁夾層結(jié)構(gòu)，還需要注意

荷載的施加方式對夾層結(jié)構(gòu)的影響和

夾層結(jié)構(gòu)對沖擊荷載的承受能力。第14頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第15頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三采用夾層結(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，在使用過程中，一要滿足強度要求，二要滿足剛度的需要，夾層結(jié)構(gòu)得以發(fā)展的主要原因第16頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三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(shè)計，則強度大大超過，造成浪費。只有采用夾層結(jié)構(gòu)形式進行設(shè)計，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)展的主要原因第17頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層結(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(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。第18頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層結(jié)構(gòu)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(shè)計時要防潮密封5)面板對低能沖擊敏感6)修補困難第19頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三面板可選擇鋁、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，第20頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三表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201.15x10^66.310.8鋁板12.51.15x10^633.85.3鋼板8.751.15x10^668.71.0幕墻(1mx2m)風壓300kgf/m^2風壓500kgf/m^215mm厚夾層板變形量5.2mm變形量10.5mm20mm厚夾層板變形量3.7mm變形量7.1mm表2鋁蜂窩板抗風壓力能力第21頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三面板的鋪層方式第22頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾心材料

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(yīng)力。芯材主要承受的剪應(yīng)力，有時還存在壓應(yīng)力。第23頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三芯子材料密度低，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(gòu)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(yīng)遵循的原則有第24頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三目前，主要的夾心材料有蜂窩材料，泡沫材料和木材第25頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三蜂窩材料

蜂窩材料主要有

鋁蜂窩、(芳香聚酰氨)NOMEX蜂窩和普通紙蜂窩。

第26頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三

是一種強度／重量比最高的結(jié)構(gòu)材料，同時價格也比較便宜。根據(jù)不同的設(shè)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(xiàn)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(nèi)部檢查成本很高。鋁蜂窩第27頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三通過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缺陷就是沒有“力學記憶”。夾心層板受到?jīng)_擊以后，蜂窩的變形是不可恢復，然而，F(xiàn)RP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(jié)構(gòu)的力學性能降低。鋁蜂窩第28頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三

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(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(chǎn)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(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。

在航空領(lǐng)域，一些常見的使用NOMEX蜂窩的結(jié)構(gòu)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蜂窩第29頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三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(jié)構(gòu)中使用。第30頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三蜂窩夾層結(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，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(xiàn)裂縫以后。在低溫下，蜂窩孔隙中的水凍結(jié)，發(fā)生膨脹，會破壞相鄰的蜂窩孔隙。

第31頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三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。泡沫材料第32頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三聚氯乙烯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(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。第33頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三聚氯乙烯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的力學性能、化學穩(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。常見的交聯(lián)PVC產(chǎn)品有HerexC系列泡沫、DivinycellH和HT泡沫以及POlimexKlegecell和Termanto的PVC泡沫。第34頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三

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(jié)構(gòu)構(gòu)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(xiàn)一般，樹脂芯材的界面發(fā)生老化，導致面板剝離。作為結(jié)構(gòu)材料使用時，常常是用作構(gòu)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。

第35頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三

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(jié)構(gòu)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(nèi)使用。

聚甲基丙烯酸亞胺PMI泡沫是德國德固賽公司生產(chǎn)，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?shù)母邷靥幚硪院?，能承?90℃的固化工藝對泡沫的尺寸穩(wěn)定性的要求，在航空領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)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。第36頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三其它泡沫材料PMI泡沫適用于多個領(lǐng)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(yīng)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(lián)PVC泡沫相似，具有交聯(lián)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(lián)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。第37頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三其它泡沫材料

在大多數(shù)應(yīng)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(gòu)筑結(jié)構(gòu)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(chǎn)品有ATCCore．Cell公司的A一系列泡沫。第38頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三Foamcorematerial

PVC:PolyvinylchloridePMI:Polymethacrylimide第39頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三木材

木材可以看成是一種天然的蜂窩材料，因為它的微觀結(jié)構(gòu)和六邊型的人造蜂窩的孔隙相似。在夾層結(jié)構(gòu)中使用時，要求木材的纖維方向和面板相垂直，這樣，構(gòu)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(zhì)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(zhì)芯材會發(fā)生腐爛。

第40頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三木材

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(jié)構(gòu)中使用端面巴薩木作為FRP結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性能。同時，巴薩木還能提供向上的浮力，其加工工具和設(shè)備簡單。巴薩木芯材產(chǎn)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(chǔ)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(yīng)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。

第41頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三木材

另外一種常用作夾層結(jié)構(gòu)芯材的木材是松木。船舶結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)剛度，保護木材芯層。

第42頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三其它芯材材料

雖然通常這些材料不是真正意義上的夾層結(jié)構(gòu)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(shè)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。第43頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三NOMEX、鋁蜂窩產(chǎn)品第44頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三BAMTRINRH型芳綸紙蜂窩芯材

常用規(guī)格/性能(Mpa)

規(guī)格

邊長密度

平面壓縮

縱向剪切

橫向剪切

強度

模量

強度

模量

強度

模量2.0-290.58/0.3820.60.218.92.0-481.63107.01.1637.80.6322.82.0-804.77241.31.5568.21.4435.73.0-481.81107.61.1536.90.7023.83.0-804.74219.02.5163.41.5841.04.0-320.8565.80.6121.80.4215.54.0-481.74117.71.5344.50.7421.84.0-643.01137.01.9145.11.1129.15.0-240.4942.70.4317.90.249.285.0-562.09128.61.645.40.9527.3第45頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層結(jié)構(gòu)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。膠粘劑第46頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三3玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)由于玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)用第47頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三3玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)在造船和交通領(lǐng)域，玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)廣泛用于玻璃鋼潛艇、掃雷艇、游艇中的許多構(gòu)件。我國設(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)已成為其它材料不能與之相比的專用材料。應(yīng)用第48頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的種類與特點

根據(jù)夾層結(jié)構(gòu)所用的芯材種類和形式不同，玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)分為：

泡沫夾層結(jié)構(gòu)，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，梯形板夾層結(jié)構(gòu)，矩形夾層結(jié)構(gòu)圓形夾層結(jié)構(gòu)。

第49頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的種類與特點（1）泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)

泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的重量輕，強度高，剛度大，多用作結(jié)構(gòu)尺寸大、強度要求高的結(jié)構(gòu)件，如玻璃鋼橋的承重板、球形屋頂結(jié)構(gòu)、雷達罩、反射面、冷藏車地板及箱體結(jié)構(gòu)等。

第50頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的種類與特點（3）梯形和矩形帶頭作用層結(jié)構(gòu)

這種帶頭作用層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)板材，具有遮擋少、透光率高的特點。第51頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三4蜂窩夾層結(jié)構(gòu)

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是一種先進的受力結(jié)構(gòu)，具有重量輕、強度高等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天及軍事領(lǐng)域。蜂窩材料是一種用于夾層結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)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。第52頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第53頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復合材料可根據(jù)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。

第54頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)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(jīng)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(shù)為0.104-0.130W/mK）；

防火阻燃性好，可根據(jù)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(yīng)性好結(jié)構(gòu)安裝方便、快捷。第55頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三5夾層結(jié)構(gòu)制造技術(shù)夾層結(jié)構(gòu)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(zhì)材料，夾層結(jié)構(gòu)實際上是復合材料與其它輕質(zhì)材料的再復合。第56頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造技術(shù)（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(guān)，根據(jù)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(yīng)用最廣。第57頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三（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(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。①玻璃纖維布（增強材料）

生產(chǎn)玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的玻璃布分為面層布和蜂窩布兩種：面層布是經(jīng)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。第58頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三（2）原材料②紙

生產(chǎn)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的紙，要求有良好的樹脂浸潤性和足夠的拉伸強度。第59頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第60頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第61頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第62頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三起皺第63頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三凹槽第64頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第65頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第66頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第67頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第68頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三（2）原材料③粘接劑（樹脂）

制造蜂窩夾層結(jié)構(gòu)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(jù)夾層結(jié)構(gòu)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(yīng)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。第69頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三（3）蜂窩夾芯制造生產(chǎn)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(jīng)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。

第70頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三蜂窩生產(chǎn)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(shè)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臺第71頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三（4）蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造玻璃布蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造技術(shù)分濕法和干法兩種。①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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，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(chǎn)品表面光滑，平整，生產(chǎn)過程中每道工序都能及時檢查，產(chǎn)品質(zhì)量容易保證.缺點是生產(chǎn)周期長。第72頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三②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(chǎn)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(chǎn)品。

濕法成型的優(yōu)點是蜂窩和面板間粘接強度高，生產(chǎn)周期短，最適合于球面、殼體等異形結(jié)構(gòu)產(chǎn)品生產(chǎn)。

其缺點是產(chǎn)品表面質(zhì)量差，生產(chǎn)過程較難控制。第73頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三片切機第74頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三蜂窩第75頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第76頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三蜂窩夾層結(jié)構(gòu)第77頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)制造技術(shù)（1）原材料

泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)用的原材料分為面板（蒙皮）材料、夾芯材料和粘接劑。①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(jié)構(gòu)面板用的材料相同。②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。第78頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)制造技術(shù)③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(zhì)、半硬質(zhì)和軟質(zhì)三種。用泡沫塑料芯材生產(chǎn)夾層結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是防寒、絕熱，隔音性能好，質(zhì)量輕，與蒙面粘接面大，能均勻傳遞荷載，抗沖擊性能好等。第79頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三（2）泡沫塑料制造技術(shù)生產(chǎn)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(yīng)放氣發(fā)泡法等。①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(jīng)固化而獲得泡沫塑料。②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(jīng)升溫、減壓、使氣體膨脹發(fā)泡。第80頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三（2）泡沫塑料制造技術(shù)③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(chǎn)生的蒸氣壓力，使聚合物發(fā)泡成泡沫體。④化學發(fā)泡劑發(fā)泡法

借助發(fā)泡劑在熱作用下分解產(chǎn)生的氣體，使聚合物體積膨脹，形成泡沫塑料。⑤原料化學反應(yīng)發(fā)泡法

此法是利用能發(fā)泡的原料組分，相互反應(yīng)放出二氧化碳或氮氣等使聚合物膨脹發(fā)泡成泡沫體。第81頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三（3）泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)制造泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)的制造方法有：預制粘接法、現(xiàn)場澆注成型法和連續(xù)機械成型法三種。①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(shè)備等。其缺點是生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不易保證。第82頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三（3）泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)制造②整體澆注成型法

先預制好夾層結(jié)構(gòu)的外殼，然后將混合均勻的泡沫料漿澆入殼體內(nèi)，經(jīng)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(jié)構(gòu)。③連續(xù)成型法

適用于生產(chǎn)泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)板材。第83頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三Lattice第84頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三Truss第85頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第86頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第87頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第88頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第89頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第90頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第91頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第92頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三6JOINTSSANDWICHPANELS膠接螺栓連接與層合板連接基本相同夾層結(jié)構(gòu)的邊緣處理與局部增強平直接頭角接頭第93頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層板端部的增強方式第94頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾板端部的增強方式第95頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的密度計算7蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的工程計算第96頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三HoneycombSandwichConstruction面板:由于彎曲引起的正應(yīng)力芯材:剪應(yīng)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(yīng)力第97頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三FaceSheetAdhesiveHoneycombcoreAdhesiveFaceSheett1t21rcchr,HHtr,2r)2(21Hcttthh++-=h第98頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的密度abhabhabtabtabtccHHrrrrr+++=22211cHHHhttthththtrrrrr)21(2212211++-+++=第99頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三cdθcdtscr第100頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三)cos)(cos()(sssctccdtcd+++=qqrr第101頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三正六變形蜂窩ctsscrr54.1=第102頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三彈性性能第103頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第104頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第105頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三蜂窩壁材料的彈性模量(3)第106頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三參考文獻第107頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第108頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三AB撓度AB伸長量彎曲+拉伸第109頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三等效應(yīng)變第110頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第111頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第112頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第113頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第114頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第115頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第116頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第117頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第118頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第119頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第120頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第121頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第122頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第8夾層結(jié)構(gòu)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(shè)計受彎矩的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)第123頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)彎曲時:面板主要承受面內(nèi)拉伸,壓縮,面內(nèi)剪應(yīng)力芯材主要承受橫向剪應(yīng)力,且沿厚度均勻分布,假設(shè)1)薄的面板只承受面內(nèi)應(yīng)力2)芯材主要承受橫向剪應(yīng)力,且沿厚度均勻分布,3)夾層板變形時,且不計對應(yīng)力的影響均等于零第124頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層板的受力分析與幾何要素第125頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三由于面板為層合板,芯材為各向同性材料構(gòu)成的夾層板,并作用彎矩由假設(shè)(2),對于芯材橫向剪力芯材厚度第126頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三如果芯材的剪切模量為Gc,橫向剪切應(yīng)變常數(shù)積分后夾層板變形時芯材的轉(zhuǎn)角參考面的面內(nèi)位移第127頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三上下面板中點處的位移為:i=1:上面板i=2:下面板第128頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三對應(yīng)的應(yīng)變i=1:上面板i=2:下面板第129頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三由假設(shè)(1),上下面板只承受面內(nèi)載荷由層合板的內(nèi)力公式:整個夾層板的內(nèi)力為i=1:上面板i=2:下面板第130頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第131頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第132頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第133頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層板的內(nèi)力矩第134頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第135頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第136頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第137頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層板的內(nèi)力與應(yīng)變關(guān)系第138頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三[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第139頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層板的力矩平衡方程作用在夾層板上的z向分布載荷第140頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三對于面板為正交各向異性材料的夾層板第141頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第142頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第143頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層板的彎曲控制方程第144頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三如果給出邊界條件,就可以解出位移w與轉(zhuǎn)角,最終可以確定內(nèi)力等第145頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第九Failuremode第146頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層結(jié)構(gòu)的破壞模式（1）夾層結(jié)構(gòu)破壞模式第147頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三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)芯子局部蹋陷第148頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第149頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第150頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第151頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第152頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第153頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三起皺現(xiàn)象對稱反對稱第154頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三反對稱第155頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第156頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三整體屈服剪切面板起皺對稱反對稱第157頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三第十夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計目的:減輕結(jié)構(gòu)重量;增大剛度;減少昂貴的表板材料的用量第158頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層結(jié)構(gòu)的特點結(jié)構(gòu)特點力學材料上下表板薄而強承受軸向載荷,彎矩,面內(nèi)剪力金屬材料;復合材料夾芯厚而輕將上下表板隔開,以承受有一塊表板傳遞到另一塊表板的載荷和橫向剪力蜂窩(Al,玻璃纖維,Nomex,foam)粘結(jié)劑薄將剪力傳到夾芯,再由夾芯傳遞到表板環(huán)氧類,酚醛樹脂,聚銑亞胺第159頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計原則總體原則在設(shè)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(shè)計載荷的拉壓載荷與面內(nèi)剪切載荷2)夾芯應(yīng)有足夠的強度,能夠承受設(shè)計載荷作用下的橫向剪力第160頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三3)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(shè)計載荷下的起皺4)夾芯應(yīng)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(chǎn)生的壓蹋破壞.5)夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的彎曲和剪切剛度,夾芯應(yīng)該有足夠的厚度和剪切模量,以滿足撓曲變形的設(shè)計要求夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計原則第161頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三6)夾芯的厚度和剪切模量應(yīng)足夠大,防止受壓時夾層結(jié)構(gòu)總體屈曲7)蜂窩夾芯的尺寸應(yīng)足夠小,以防止在設(shè)計載荷下表板出現(xiàn)凹陷8)夾層壁板的封口的連接處應(yīng)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(jié)構(gòu)的其它部分9)表板,夾芯,粘結(jié)擠應(yīng)匹配,要有良好的工藝性.夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計原則第162頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三◆在設(shè)計載荷下，面板的面內(nèi)應(yīng)力應(yīng)小于材料強度，或在設(shè)計載荷下，面板應(yīng)變小于設(shè)計許用應(yīng)變；◆芯子應(yīng)有足夠的厚度（高度）及剛度；◆芯子應(yīng)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(yīng)足夠厚，蜂窩芯格尺寸應(yīng)合理；◆應(yīng)盡量避免夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(shè)計要求。（2）夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計準則第163頁，講稿共182頁，2023年5月2日，星期三結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟：第一步：根據(jù)外載大小，初步確定夾層結(jié)構(gòu)形式及尺寸。第二步：根據(jù)初定結(jié)構(gòu)，用有限元法（或工程設(shè)計計算方法）確定內(nèi)力及支反力。第三步：根據(jù)第二步的分析結(jié)果，按強度準則修改芯子密度及面板厚度。第四步：根據(jù)修改后的結(jié)構(gòu)尺寸，再進行有限元應(yīng)力分析，并進行詳細的強度校核，檢查其強度。剛度和