第 五章     夹层结构设计Design of sandwich  structure 1  夹层结构的原理  2  夹层结构的特点  3   夹层结构的制造技术  4   蜂窝的工程弹性常数计算  5   夹层结构的失效模式  A sandwich panel (12 mm thickness) with an aluminium foam core and two steel faceplates  (a) The Beech Starship            (b) Voyager  一   夹层结构的原理         在航空、风力发电机叶片、体育运动器材、船舶制造、列车机车等领域，大量使用了夹层结构，减轻重量，         在夹层结构中，使用低密度夹心材料增加层合板的厚度，从而达到提高材料刚度的目的。         这样在重量增加很少的前提下，大幅度的提高结构的刚度。 一   夹层结构的原理         在弯曲荷载下，                  面层材料主要承担拉应力和压应力，                  芯材主要承担剪切应力，         同时，对于很薄的薄壁夹层结构，还需要注意                     荷载的施加方式对夹层结构的影响      和        夹层结构对冲击荷载的承受能力。 采用夹层结构方式是为了提高材料的有效利用率和减轻结构重量，  以梁板构件为例，在使用过程中，  一要满足强度要求，  二要满足刚度的需要，  玻璃钢材料的特点是强度高，模量低。  因此，用单一的玻璃钢材料制造梁板，满足强度要求时，挠度往往很大，  如果按允许挠度进行设计，则强度大大超过，造成浪费。  只有采用夹层结构形式进行设计，才能合理的解决这一矛盾。  这也是夹层结构得以发展的主要原因. 夹层结构分类 夹层结构的蒙皮和夹芯材料种类很多，  如果用铝、钛合金做蒙皮和芯材，则称为金属夹层结构；  用玻璃钢薄板，木质胶合板和无机复合材料板做蒙皮，用玻璃钢蜂窝、纸蜂窝及泡沫塑料做夹芯材料，则称为非金属材料夹层结构。   目前，以玻璃钢薄板做蒙皮、玻璃钢蜂窝和泡沫塑料做芯材的夹层结构应用最广。 夹层结构的特点 1)具有大的弯曲刚度/重量比,弯曲强度/重量比  2)具有良好的吸声,隔声,隔热性能  3)具有大的屈曲临界载荷  4)对湿热环境敏感,设计时要防潮密封  5)面板对低能冲击敏感  6)修补困难 面       板     可选择铝、不锈钢、玻璃钢、天然石材、防火板装饰板、喷塑金属板,复合材料等，以满足不同的使用要求。 表1 几种常用板材重量刚性比较 夹心材料  选择面板时，主要考虑的是材料的刚度和强度，  但是对于芯材的选择，首先考虑的是重量。  为了是面板在相互之间保持一定距离的同时，面板能保持稳定，夹心材料有时还必须承受一定的应力。  芯材主要承受的剪应力，有时还存在压应力。 目前，主要的夹心材料有 蜂窝材料，泡沫材料和木材 蜂窝材料 ?蜂窝材料主要有               铝蜂窝、          (芳香聚酰氨)NOMEX蜂窝          和普通纸蜂窝。???    铝蜂窝        是一种强度／重量比最高的结构材料，同时价格也比较便宜。根据不同的设计和制作工艺，孔隙有不同的几何形状。通常是六角形。                 铝蜂窝材料一般是未张拉的蜂窝块的形式，在使用现场进行张拉。 ???     铝蜂窝夹心材料在一定的重量条件下，可以做得很薄。然而，这种薄壁可能会导致蜂窝的表面，尤其是在蜂窝孔隙较大的情况下，发生局部的稳定破坏。         除此以外，铝蜂窝和碳纤维同时使用，由于这两种材料都不是绝缘材料，会发生接触腐蚀。对蜂窝材料作接触腐蚀的内部检查成本很高。 铝蜂窝 通过敲击可以初步检查蜂窝材料的质量和损坏情况。  铝蜂窝材料还有一个缺陷就是没有“力学记忆”。  夹心层板受到冲击以后，蜂窝的变形是不可恢复，然而，FRP面材具备一定的弹性，在冲击荷载过后，恢复到原来的位置。  这将导致在局部区域，面材和芯材脱离，夹层结构的力学性能降低。 NOMEX蜂窝 ???   NOMEX蜂窝夹心材料是由芳纶纸浸酚醛树脂制成，在航天、航空结构、船舶制造中具有广泛的应用领域。  和铝蜂窝相比，发生局部屈曲的几率要小得多，因为蜂窝的壁相对的要厚一些。           另外，因为NOMEX材料不导电，不存在接触腐蚀的问题。但是和其它芳纶产品一样，不能抵抗紫外线的侵蚀，使用时外部通常覆有面板，起到一定的防护作用。???  在有阻燃要求的一些场合，也有使用酚醛泡沫填充蜂窝孔隙，提高材料和面材之间的粘结性能和结构隔热性能。例如，在公共交通工具内使用时。???   在航空领域，一些常见的使用NOMEX蜂窝的结构有：机翼的前缘和尾翼，起落架舱门、其它各种舱门和整流罩。 纸蜂窝        普通纸蜂窝由于强度很低，吸水，不在复合材料夹层结构中使用。 蜂窝夹层结构的局限性 尽管蜂窝夹层结构在结构性能上有突出的优点，但是航空公司还是在寻找其它更好的材料来代替，  原因是蜂窝夹心材料在各种用途的使用过程中需要昂贵的维护费用。  因为在一些特殊情况下，蜂窝会进水。  例如，面板出现裂缝以后。在低温下，蜂窝孔隙中的水冻结，发生膨胀，会破坏相邻的蜂窝孔隙。??  聚合物泡沫是一种最常用的芯材。  主要有，    聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、    聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸亚胺（PMI）、    聚醚酷亚胶（PEL）    和丙烯腈一苯乙烯（SAN或AS），  密度从30kg／m3到300kg／m3不等。  通常在复合材料中，使用的泡沫密度在 40kg／m3－ 200kg／m3之间。 聚氯乙烯PVC泡沫 ??? 聚氯乙烯PVC泡沫是一种闭孔泡沫。严格的讲，它实际上是PVC和聚氨酯混合物，但常常都简单的说成PVC泡沫。      PVC泡沫具有综合的静力和动力性能，不易受潮。使用温度在-240℃－＋80℃，并且能够耐多种化学物质腐蚀。      尽管PVC泡沫是可燃材料，但是阻燃类型的PVC泡沫可以在具有防火严格要求的结构中，例如列车。       PVC泡沫耐苯，所以能够和聚酯树脂共同使用。            PVC泡沫主要用在一些不需要压力罐的工艺中。在选择固化工艺方法时，需要注意PVC泡沫在温度升高时会释放孔隙气体。 聚氯乙烯PVC泡沫 ?????    有两种主要的PVC泡沫，一种是交联，另外一种是非交联（有时也叫做线性PVC泡沫）。???     线性PVC，即非交联PVC泡沫（例如AirexR63．80），兼具良好韧性和柔性，可以按照曲面形状热成形。但是，线性PVC的力学性能、化学稳定性（耐苯）和热变形性能和交联的PVC泡沫相比，在相同的密度条件下，相对要低一些。???      交联PVC的硬度和脆性较高。在高温下，不容易变软或发生蠕变。常见的交联PVC产品有 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泡沫广泛用在船舶、冲浪板制造行业。虽然其拥有重量轻（40kg／m3），成本低，易于机械加工等主要
【复合材料夹层结构分析】.ppt