复合材料夹层结构分析.ppt

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1、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 夹层结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子胶接 而成。具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、 耐疲劳、吸音和隔热等优点。 夹层结构 A sandwich panel (12 mm thickness) with an aluminium foam core and two steel faceplates Sweden (a) The Beech Starship (b) Voyager 一

2、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 ，

3、二要满足刚度的需要 ， 夹层结构得以发展的主要原因 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

4、，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。 2 夹层材料 选择面板时，主要考虑的是 材料的刚度和强度 ， 表 1 几种常用板材重量刚性比较 板材种类 厚度 (mm) 弯曲刚度 N(m2/m) 重量 (kg) 比刚度 铝蜂窝夹层板 20 1

5、.15 x 106 6.3 10.8 铝板 12.5 1.15 x 106 33.8 5.3 钢板 8.75 1.15 x 106 68.7 1.0 幕墙 (1m x 2m) 风压 300kgf/m2 风压 500kgf/m2 15mm厚夹层板 变形量 5.2mm 变形量 10.5mm 20mm厚夹层板 变形量 3.7mm 变形量 7.1mm 表 2 铝蜂窝板抗风压力能力 面 板 的 铺 层 方 式 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

6、。 芯材主要承受的剪应力，有时还存在压应力。 芯子材料密度低，有足够的强度和刚度； 胶接性能好； 与面板的电性能相匹配，避免电偶腐蚀； 工艺性能良好，价格低。 对于某些特殊构件，要考虑芯子的电性能、导 热性能以及阻燃、防毒和防烟雾性能等。 电性能、导热性以及阻燃、防毒和防烟雾性能 等。 芯子材料选择应遵循的原则有 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。 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

7、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

8、低。 铝蜂窝 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。 NOMEX蜂

9、窝 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 3

10、0kg 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。 泡沫材料 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 PV

11、C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 Term

12、anto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 加工等主要优点，但是因为力学性能差，很少在高性 能结构构件中使用。另外，这种泡沫不能和聚酯树脂 同时使用，因为树脂中含有的苯会溶化泡沫。 聚氨酯 PU泡沫 的力学性能表现一般，树脂芯材的界面 发生老化，导致面板剥离。作为结构材料使用时，常 常是用作构件的加强筋或加劲肋。但是聚氨酯泡沫也 能用作荷载较小情况下的夹层层板中，起到隔热作用。 该类泡沫的使用温度是 150 左右，同时吸声性能好。 泡沫的机械加工成形简单。 其它泡沫材料 聚醚酸亚胶 PEI

13、泡沫 ，由 聚 醚酸亚胺聚醚砜发泡而成， 具有很高的使用温度和良好的防火性能，尽管价位相对 较高，但是这种泡沫可以在有结构要求，高温情况下， 具有防火要求的部位使用。其使用温度在 - 194 到十 180 之间。由于能满足严格的防火阻燃要求，适合在 飞机和列车内使用。 聚甲基丙烯酸亚胺 PMI泡沫 是德国德固赛公司生产，商 标是 ROHACELL。在所有的泡沫中，相同密度的条 件下对比，是强度和刚度最高的泡沫。其高温下耐蠕变 性能使得该泡沫能够适用高温固化的树脂和预浸料。 PMI泡沫在适当的高温处理以后，能承受 190 的固化 工艺对泡沫的尺寸稳定性的要求，在航空领域中得到了 广泛的应用。 P

14、MI泡沫是采用固体发泡工艺制作，泡沫 的孔隙基本一致、均匀的 100闭孔泡沫。 其它泡沫材料 PMI泡沫适用于多个领域 ，包括电子，运载火箭，航 空，铁路机车，船舶以及天线，雷达天线罩，体育 器材等。目前在国外的主要应用有：美国的 Delta运 载火箭的整流罩，日本三菱的 Hll A运载火箭的整 流罩，日本新干线的火车头，通用、西门子等公司 的医疗床板， Vestas的风力发电机叶片，还有导弹、 直升机和飞机项目。 丙烯腈一苯乙烯 SAN泡沫 ，性能和韧性与增强后的 交联 PVC泡沫相似，具有交联 PVC的大部分静力特 性，但是延伸率和韧性相比更高。和普通以及韧性 增强后的交联 PVC相比，抗

15、冲击性能因此也更好。 和韧性增强的 PVC不同， PVC是使用塑性剂来提高 聚合物的韧性，而 SAN泡沫是聚合物本身具有的韧 性特点，不会发生老化。 其它泡沫材料 在大多数应用场合，可以用 SAN泡沫 代替线性 PVC泡沫，因为 SAN泡沫具有部分线性 PVC的韧性 和延伸率的同时，还有更好的耐高温性能和静力性 能。 SAN泡沫能够热成形，可以方便的构筑结构的 曲面。 热稳定型的 SAN泡沫也能和低温固化预浸料共 同使用，常见的 SAN泡沫产品有 ATC Core Cell 公司的 A一系列泡沫。 Foam core material PVC: Polyvinylchloride PMI: P

16、olymethacrylimide 木 材 木材可以看成是一种 天然的蜂窝材 料 ，因为它的微观结构和六边型的人造蜂 窝的孔隙相似。 在夹层结构中使用时，要求木材的纤 维方向和面板相垂直，这样，构件的力学 性能和使用人造的蜂窝相似。但是，尽管 可以进行各种各样的化学处理， 所有的木 质芯材还是会受到湿气的影响，如果没有 被面材或树脂密封的话，木质芯材会发生 腐烂。 木 材 端面巴萨木是最常用的木材芯材 。 巴萨木 最先是在 19 世纪 40年代，在飞艇的船体中使用铝面板和巴萨木芯材， 抵抗在水面着陆时受到的重复的冲击荷载。随后，开始在 海洋结构中使用端面巴萨木作为 FRP结构的芯材。巴萨木 除

17、了具有高的压缩性能，还有很好的隔热性能和隔音性能。 在加热以后，材料不会发生变形，在遇火时，用作隔热层 和烧蚀层，芯层慢慢烧焦，使未遇火的面材保持结构性能。 同时，巴萨木还能提供向上的浮力，其加工工具和设备简 单。巴萨木芯材产品一般有织物背村， 3 50mm厚，具 有一定轮廓。刚性端面巴萨木板材的厚度可以达到 100mm。针对真空袋、预浸料工艺或压力基础上的制造 工艺艺过程，例如 RTMI艺，这种板材可以预先采用树脂 涂覆。 巴萨木的一个缺点是最小密度偏大，通常最小密度值 大约是 100kg m3。但在层会的过程中，巴萨木还要吸 收大量的树脂。为了减少树脂的吸收增加重量，可以预先 用泡沫密封。

18、巴萨木的应用通常限制在那些重量不是要求 很高或局部承载力要求很高的地方。 木 材 另外一种常用作夹层结构芯材的木材 是 松木 。 船舶结构中，常常以松木条板，加上 复合材料面板。松木的木材纤维方向和层 板的面板平行。松木纤维沿船的长度方向， 提供纵向的刚度，在 FRP面材中纤维以 45 向铺放，提供扭转刚度，保护木材 芯层。 其它芯材材料 虽然通常这些材料不是真正意义上的夹层结 构芯材，但是也常用一些低密度、薄层织物降低 单层层板的密度。 例如， CorematTM和 SpheretexTM等含有 大量孔隙的无纺布毡。厚度通常只有 1一 3mm厚， 象层板中的一个层，在铺设过程中，铺层树脂会

19、浸润无纺布毡。 这样树脂代替孔隙以后，中间织物的重量和 泡沫或蜂窝相比，要重得多，但是和相同厚度的 玻璃纤维层合板相比，要轻一些。 由于很薄，它很容易做成二维曲面，操作方 便简单。 NOMEX、铝蜂窝产品 BAMTRI NRH型芳纶纸蜂窝芯材 常用规格 /性能 (Mpa) 规 格 边长密度 平面压缩 纵向剪切 横向剪切 强度 模量 强度 模量 强度 模量 2.0-29 0.58 / 0.38 20.6 0.21 8.9 2.0-48 1.63 107.0 1.16 37.8 0.63 22.8 2.0-80 4.77 241.3 1.55 68.2 1.44 35.7 3.0-48 1.81

20、107.6 1.15 36.9 0.70 23.8 3.0-80 4.74 219.0 2.51 63.4 1.58 41.0 4.0-32 0.85 65.8 0.61 21.8 0.42 15.5 4.0-48 1.74 117.7 1.53 44.5 0.74 21.8 4.0-64 3.01 137.0 1.91 45.1 1.11 29.1 5.0-24 0.49 42.7 0.43 17.9 0.24 9.28 5.0-56 2.09 128.6 1.6 45.4 0.95 27.3 夹层结构中的胶粘剂分为板芯胶、芯与骨架 元件（如梁、肋）粘接胶以及芯子与芯子拼 接胶三类， 其中板

21、芯胶最为重要。 胶粘剂 3 玻璃钢夹层结构 由于玻璃钢夹层结构的强度高，重量轻，刚度 大，耐腐蚀，电绝缘及透微波等， 目前已广泛用于 航空工业和宇航工业的飞机、 导弹、飞船及样板、屋面板，能大幅度的减轻建筑 物的重量和改善使用功能 。 透明玻璃钢夹层结构板 ，已广泛用于寒冷地区 的工业厂房、大型公用建筑及温室的采光屋顶。 应用 3 玻璃钢夹层结构 在造船和交通领域，玻璃钢夹层结构广泛用于玻璃 钢潜艇、扫雷艇、游艇中的许多构件。 我国设计制造的玻璃钢过街人行桥、公路桥、汽车 和火车保温泠藏车等，均采用了玻璃钢夹层结构， 满足了重量轻、强度高、刚度大、隔热、保温等多 性能要求。 在要求 透微波的雷

22、达罩 中，玻璃钢夹层结构已成为 其它材料不能与之相比的专用材料。 应用 玻璃钢夹层结构的种类与特点 根据夹层结构所用的芯材种类和形式不同，玻璃钢 夹层结构分为： 泡沫夹层结构， 蜂窝夹层结构， 梯形板夹层结构， 矩形夹层结构 圆形夹层结构 。 玻璃钢夹层结构的种类与特点 （ 1） 泡沫塑料夹层结构 泡沫塑料夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮 （面板），泡沫塑料做夹芯层，泡沫塑料夹层结构的 最大特点是蒙皮和泡沫塑料夹芯层粘接牢固、受力不 大和保温隔热性能要求高的部件，如飞机尾翼、保温 通风管道及样板等。 （ 2） 蜂窝夹层结构 蜂窝夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮，蜂窝 材料（玻璃布蜂窝、纸蜂窝或其它

23、棉布及铝蜂窝等） 做夹芯层。蜂窝夹层结构的重量轻，强度高，刚度大， 多用作结构尺寸大、强度要求高的结构件，如玻璃钢 桥的承重板、球形屋顶结构、雷达罩、反射面、冷藏 车地板及箱体结构等。 玻璃钢夹层结构的种类与特点 （ 3） 梯形和矩形带头作用层结构 这种带头作用层结构的面板（蒙皮）为玻璃 钢薄板，夹芯层是玻璃钢梯形板或矩形板。这种 夹层结构方向性强，仅适用于做高强平板，不宜 用于弯曲形状的制品。 （ 4） 圆环形夹层结构 它是用玻璃钢薄板作蒙皮，用玻璃钢圆环做夹 芯层。这种夹层结构的特点是芯材耗量少，强度 比较高，平板受力无方向性，最适宜做采光用的 透明玻璃钢夹层结构板材，具有遮挡少、透光率

24、高的特点。 4 蜂窝夹层结构 蜂窝夹层结构 是一种先进的受力结构，具有 重量轻、强度高等 优异性能，被广泛应用于航空 航天及军事领域。 蜂窝材料是一种用于夹层结构的轻质材料。 芳纶纸（ Nomex）蜂窝具有高的比强度和比 刚度，突出的耐腐蚀性和自熄性，优良的耐环境 性和热绝缘性，独特的介电性能和高温稳定性， 优异的工艺性，广泛用于 航空航天、船舶、火车 和体育用品 。 铝蜂窝夹层结构复合材料 可根据使用要求选择不同的组合： 芯材选择不同的规格； 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 板等，以满 足不同的使用要求 。 铝蜂窝夹层结构的特性 1、 重量轻、强度高、刚性

25、好 2、 寿命长 耐久型蜂窝的铝箔经化学处理后具有很高的耐腐蚀性 能，使用时间可达 20年以上，长期使用温度可达 150摄氏度。 3、 突出的综合功能 减振抗冲击性好（能量吸收能力为 150-350KJ/M3）； 良好的隔音降噪功能（对 100-3200Hz的声源降噪可达 20-33dB）； 隔热保温（导热系数为 0.104-0.130W/mK）； 防火阻燃性好，可根据使用要求达到不同的防火等级。 4、 极高的外观平直度，不易变形 5、 材料的加工适应性好结构安装方便、快捷。 5 夹层结构制造技术 夹层结构一般是由 三层材料制成的复合材料 。 夹层复合材料的上下面层是 高强度、高模量材料 ，

26、中间层是 较厚的轻质材料 ， 夹层结构实际上是 复合材料与其它轻质材料的再 复合 。 蜂窝夹层结构制造技术 （ 1）蜂窝种类 蜂窝的强度与选用原材料和蜂窝几何形状有关， 根据平面投影几何形状，蜂窝夹芯材料可分为 六边形、 菱形、矩形、正弦曲线形和有加强带六边形 等。 在这些蜂窝夹芯材料中，以 加强带六边形强度最高 ， 正方形蜂窝次之。 由于 正六边形蜂窝 制造简单，用料省，强度也较高， 故应用最广。 （ 2）原材料 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。 玻璃纤维布（增强材料） 生产玻璃钢夹层结构的玻璃布分为 面层布和蜂 窝布两种 ： 面层布是经过增强处理的

27、中碱和无碱 平纹布 ，其厚度一般为 0.1 0.2mm。 为加强蒙皮和蜂窝之间的粘度强度，常在两者 之间加一层短切玻璃纤维毡。 选用含蜡玻璃布做蜂窝材料 ，可以防止树脂浸 透到玻璃布背面，减少蜂窝块层间的粘接，有利 于蜂窝成孔拉伸。 （ 2）原材料 纸 生产蜂窝夹层结构的纸，要求有良好的树脂浸 润性和足够的拉伸强度。 起皱 凹槽 （ 2）原材料 粘接剂（树脂） 制造蜂窝夹层结构用的树脂分 蒙皮用树脂、蜂 窝用树脂和蜂窝与蒙皮粘接用树脂 。根据夹层结构 的使用条件，可分别 选用环氧树脂、不饱和聚酯树 脂、酚醛树脂、有机硅树脂及邻苯二甲酸二丙烯酯 等 。 制造蜂窝胶条时，通常采用环氧树脂、改性酚

28、醛树脂、聚醋酸乙烯酯胶和聚乙烯醇缩丁醛胶等。 在这些胶粘剂中，环氧树脂粘接强度高，改性酚醛 树脂价格低，故应用较多。 聚醋酸乙烯酯胶无毒，价格便宜，可以室温固 化，但用此胶制造的蜂条，不能浸聚酯胶胶液，因 为聚酯树脂中的苯乙烯能溶解聚醛酸乙烯，使蜂条 开胶、破坏。 （ 3）蜂窝夹芯制造 生产玻璃布夹芯材料时，主要是 胶接拉伸法 。 其工艺过程是 : 先在制造蜂窝芯材的玻璃布上涂胶条， 然后重叠粘接成蜂窝叠块， 固化后按需要蜂窝高度切成蜂窝条， 经拉伸预成型， 最后浸胶，固化定型成蜂窝芯材 。 制造蜂窝夹芯叠块的胶条上胶法，可以采用手械 涂胶，也可以使用机械化涂胶。 蜂窝生产线（ NOMEX、铝

29、蜂窝） Nomex蜂窝浸渍机 蜂窝拉伸机 Nomex蜂窝涂胶机 铝箔清洗机 涂胶机 2台、拉 伸机 1台、浸胶 设备 1套、切纸 机 1台、片切机 1台、铝箔清洗 及表面处理机 1 台、锯切机 1台 （ 4）蜂窝夹层结构制造 玻璃布蜂窝夹层结构制造技术分 湿法和干法 两种。 干法成型 此法是先将蜂窝夹芯和面板作好，然后再将它 们粘接成夹层结构。 为了保证芯材和面板牢固粘接，常在面板上铺一 层薄毡（浸过胶），铺上蜂窝，加热加压，使之固 化成一体。这种方法制造的夹层结构，蜂芯和面板 的粘接强度可提高到 3MPa以上。 干法成型的优点 主要是产品表面光滑，平整，生 产过程中每道工序都能及时检查，产品

30、质量容易保 证 .缺点 是生产周期长。 湿法成型 湿法成型 是 面板和蜂窝夹芯均处于未固化状态， 在模具上一次胶接成型 。 生产时，先在模具上制好上、下面板，然后 将蜂窝条浸胶拉开，放到上、下面板之间，加压 （ 0.01 0.08MPa）、固化，脱模后修整成产品。 湿法成型的优点 是蜂窝和面板间粘接强度高， 生产周期短，最适合于球面、壳体等异形结构产 品生产。 其缺点 是产品表面质量差，生产过程较难控制。 片切机 蜂 窝 蜂窝夹层结构 泡沫塑料夹层结构制造技术 （ 1）原材料 泡沫塑料夹层结构用的原材料分为 面板（蒙皮）材 料、夹芯材料和粘接剂 。 面板材料 主要是用玻璃布和树脂制成的薄板，与

31、蜂窝夹层结 构面板用的材料相同。 粘接剂 面板和夹芯材料的粘接剂，主要取决于泡沫塑料种 类，如聚苯乙烯泡沫塑料，不能用不饱和聚酯树脂粘接。 泡沫塑料夹层结构制造技术 泡沫夹芯材料 泡沫塑料的种类很多，其分类方法有两种： 一种是按树脂基体分 ， 可分为：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，环氧及不 饱和聚酯等热固性泡沫塑料等。 另一种是按硬度分， 可分为硬质、半硬质和软质三种。用泡沫塑料芯材 生产夹层结构的最大优点是防寒、绝热，隔音性能好， 质量轻，与蒙面粘接面大，能均匀传递荷载，抗冲击 性能好等。 （ 2）泡沫塑料制造技术 生产泡沫塑料的发泡方法较多，有

32、 机械发泡法、惰 性气体混溶减压发泡法、低沸点液体蒸发发泡法、 发泡剂分解放气发泡法和原料组分相互反应放气发 泡法 等。 机械发泡法 利用强烈机械搅拌，将气体混入到聚合物溶液、 乳液或悬浮液中，形成泡沫体，然后经固化而获得 泡沫塑料。 惰性气体混溶减压发泡法 利用惰性气体（如氮气、二氧化碳等）无色、 无臭、难与其它化学元素化合的原理，在高压下压 入聚合物中，经升温、减压、使气体膨胀发泡。 （ 2）泡沫塑料制造技术 低沸点液体蒸发发泡法 将低沸点液体压入聚合物中，然后加热聚合物， 当聚合物软化、液体达到沸点时，借助液体气化产 生的蒸气压力，使聚合物发泡成泡沫体。 化学发泡剂发泡法 借助发泡剂在热

33、作用下分解产生的气体，使聚 合物体积膨胀，形成泡沫塑料。 原料化学反应发泡法 此法是利用能发泡的原料组分，相互反应放出 二氧化碳或氮气等使聚合物膨胀发泡成泡沫体。 （ 3）泡沫塑料夹层结构制造 泡沫塑料夹层结构的制造方法有： 预制粘接法、现场浇注成型法和连续机械成型法 三 种。 预制粘接法 将蒙皮和泡沫塑料芯材分别制造，然后再将它 们粘接成整体。 预制成型法的优点是能适用各种泡沫塑料，工 艺简单，不需要复杂机械设备等。其缺点是生产效 率低，质量不易保证。 （ 3）泡沫塑料夹层结构制造 整体浇注成型法 先预制好夹层结构的外壳，然后将混合 均匀的泡沫料浆浇入壳体内，经过发泡成型 和固化处理，使泡沫

34、涨满腔体，并和壳体粘 接成一个整体结构。 连续成型法 适用于生产泡沫塑料夹层结构板材。 Lattice Truss 6 JOINTS SANDWICH PANELS 胶接 螺栓连接 与层合板连接基本相同 夹层结构的边缘处理与局部增强 平直接头 角接头 夹层 板端 部的 增强 方式 夹板 端 部 的 增 强 方 式 蜂窝夹层结构的密度计算 7 蜂窝夹层结构的工程计算 Honeycomb Sandwich Construction 面板 :由于弯 曲引起的正 应力 芯材 :剪应力 , 强度 ,刚度 面板 : 高强 ,高模量材 料制 造 :Carbon- Epoxy Glass/epoxy 金属 粘

35、接层 泡沫塑料 金属 /非金属 蜂窝 波纹板 栅格 粘接层 : 剪应力 Face Sheet Adhesive Honeycomb core Adhesive Face Sheet t1 t2 1 r c c h r , H H t r , 2 r ) 2 ( 2 1 H c t t t h h + + - = h 蜂窝夹层结构的密度 abh abh abt abt abt c c H H r r r r r + + + = 2 2 2 1 1 c H H H h t t t h t h t h t r r r r r ) 2 1 ( 2 2 1 2 2 1 1 + + - + + + = c

36、 d c d ts c r ) cos )( cos ( ) ( s s s c t c c d t c d + + + = q q r r 正六变形蜂窝 c t s s c r r 54 . 1 = 弹性性能 蜂窝 壁材 料的 弹性 模量 (3) *2E 参考文献 AB挠度 AB伸长量 弯曲 +拉伸 等效应变 第 8 夹层结构分析 层合板在承受弯曲载 荷时 ,远离中面的铺层可提 供较大的抗弯刚度 , 因此在设计受弯矩的结构物 时把 弹性模量大 ,强度高的 材料配置在远离中面的部位 , 中面附近受力较小 ,可以使 用 强度和模量较低的材料 . 夹层结构 夹层结构分析基础 弯曲时 : 面板主要承

37、受 面内拉伸 ,压缩 ,面内剪应力 芯材主要承受 横向剪应力 ,且沿厚度均匀分布 , 假设 1)薄的面板 只承受面内应力 2)芯材主要 承受横向剪应力 ,且沿 厚度均匀分布 , 3)夹层板变形时 , 0 ; 0 x z z ytt ,x y x ys s t 0z = 且不计 对应力的影响 zs ,x y x ys s t 均等于零 夹层板的受力分析与几何要素 xyM yM zyQ z xyM xM z zxQ 1l 1h 2l 2h z x 由于面板为层合板 ,芯材为 各向同性材料 构成的夹 层板 ,并作用弯矩 由假设 (2),对于芯材 xM yM xyM 0yz z t = 0 xz z

38、t = yz yz Q h t = xz xz Q h t = 横向剪力 芯材厚度 如果芯材的剪切模量为 Gc,横向剪切应变 zx xz c Qwu x z G h = + = zy yz c Qwv y z G h = + = cG h C= 常数 0 () zxQwu u z xC = - - 积分后 0 () zyQwv v z yC = - - x y 夹层板变形 时芯材的转 角 参考面的面内位移 0 xu u z=- 0 yv v z=- 上下面板中点处的位移为 : 0i i xu u h =- 0i i yv v h =- i=1:上面板 i=2:下面板 对应的应变 0 0 i x

39、 x x i i x i uu hh x x x x = = = 0 0 yyi y i i y i vv hh y y y y = = = 00 0 () () yi i x x y i i yx x y i u v u v h y x y x y x h yx = + = + + = + i=1:上面板 i=2:下面板 由假设 (1),上下面板只承受面内载荷 11 12 16 12 22 26 16 26 66 x i x i y i y i x y i x y i N A A A N A A A N A A A = 由层合板的内力公式 : 整个夹层板的内力为 12x x xN N N=+

40、 12y y yN N N=+ 12x y x y x yN N N=+ i=1:上面板 i=2:下面板 12x x xN N N=+ 0 11 1 11 2 1 11 1 2 11 2 0 12 1 12 2 1 12 1 2 12 2 0 16 1 16 2 1 16 1 2 16 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) x xx y y y x xy N A A h A h A x A A h A h A y A A h A h A yx = + + - + + + - + + - - + 12y y yN N N=+

41、0 12 1 12 2 1 12 1 2 12 2 0 22 1 22 2 1 22 1 2 22 2 0 26 1 26 2 1 26 1 2 26 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) x yx y y yx xy N A A h A h A x A A h A h A y A A h A h A yx = + + - + + + - + + - - + 12x y x y x yN N N=+ 0 16 1 16 2 1 16 1 2 16 2 0 26 1 26 2 1 26 1 2 26 2 0 66 1 66 2

42、 1 66 1 2 66 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) x x y x y y yx xy N A A h A h A x A A h A h A y A A h A h A yx = + + - + + + - + + - - + 夹层板的内力矩 2 2 1 1x x xM N h N h=- 2 2 1 1y y yM N h N h=- 2 2 1 1x y x y x yM N h N h=- 0 2 2 11 2 2 11 1 1 2 11 2 1 11 1 0 2 2 12 2 2 12 1 1 2 12

43、 2 1 12 1 0 2 2 16 2 2 16 1 1 2 16 2 1 16 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) x xx y y y x xy M A h A h h A h A x A h A h h A h A y A h A h h A h A yx = - + + + - + + + - + + + 0 2 2 12 2 2 12 1 1 2 12 2 1 12 1 0 2 2 22 2 2 22 1 1 2 22 2 1 22 1 0 2 2 26 2 2 26 1 1 2 26 2 1 26 1 ( )

44、 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) x yx y y yx xy M A h A h h A h A x A h A h h A h A y A h A h h A h A yx = - + + + - + + + - + + + 0 2 2 16 2 2 16 1 1 2 16 2 1 16 1 0 2 2 26 2 2 26 1 1 2 26 2 1 26 1 0 2 2 66 2 2 66 1 1 2 66 2 1 66 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

45、 x x y x y y yx xy M A h A h h A h A x A h A h h A h A y A h A h h A h A yx = - + + + - + + + - + + + 夹层板的内力与应变关系 0 N A B M B D k = 0 0 0 0 0 u v u v x y y x =+ yyxxk x y y x =+ A=A (1) +A (2) B=A (1) h2-A (2) h1 22 ( 2 ) 2 ( 1 ) 1 D A h A h=+ 如果参考平面为夹层板的 几何平面 ,并且上下表面 的厚度与材料相同 2 / 2D A h= 0B = ( 1 )

46、 ( 2 ) 2 2 A A A= 上下面板中面之间的距离 夹层板的力矩平衡方程 0 xyx xz MM Q xy + - = 0y x y yz MM Q yx + - = ( , ) 0zy xz M M q x y yx + + = 作用在夹层板上的 z 向分布载荷 对于面板为正交各向异性材料的夹 层板 1 1 1 2 yx xM D Dxy = - + 1 2 2 2 yx yM D Dxy = - + 6 6 6 6 yx xyM D Dyx = - + ()x z x w QC x =- ()y z y w QC y =- 22 6 6 1 2 6 62 2 22 4 () ( )

47、 0 yx y y D D D x x y w DC yy + + + + + - = 22 1 1 1 2 6 62 2 66 4 () ( ) 0 yx y x D D D x x y w DC yx + + + + + - = 22 22( ) ( , ) yx wwC q x y x x y y - + - = 夹层板的弯曲控制方程 2 2 6 6 2266 1 1 1 2 1 2 6 62 2 2 4 4 2 22 42 6 6 1 2 1 1 1 1 2 2 1 2 6 62 2 2 1 ( ) 1 ( 2 ) 1 1 1 1 ( ) ( 2 ) ( , ) S ww w D D

48、D D C x y x y x y C D D D D D D D q x y C C x C x y + - + - + + = + - + + - + 如果给出边界条件 ,就可以解出位移 w与转 角 , 最终可以确定内力等 第九 Failure mode 夹层结构的 破坏模式 （ 1）夹层结构 破坏模式 破 坏 方 式 芯子横向剪切 剪切起皱 ,面板格间失稳 面板起皱失稳 面板起皱失稳 面板起皱失稳 总体失稳 总体失稳 总体失稳 芯子局部蹋陷 起皱现象 对称 反对称 反对称 整体屈服 剪切 面板起皱 对称 反对称 第十 夹层结构设计 目的 : 减轻结构重量 ; 增大刚度 ; 减少昂贵的表板

49、材料的用量 夹层结构的特点 结构 特点 力学 材料 上下 表板 薄而强 承受轴向载荷 ,弯 矩 ,面内剪力 金属材料 ;复合材料 夹芯 厚而轻 将上下表板隔开 , 以承受有一块表 板传递到另一块 表板的载荷和横 向剪力 蜂窝 (Al,玻璃纤 维 ,Nomex,foam) 粘结 剂 薄 将剪力传到夹芯 , 再由夹芯传递到 表板 环氧类 ,酚醛树脂 , 聚铣亚胺 夹层结构设计原则 总体原则 在设计载荷作用下 ,满足 刚度与强度 的要求 1)表板的厚度 要能够承受设计载荷的 拉压载荷与面内 剪切载荷 2) 夹芯 应有足够的强度 ,能够承受设计载荷作用下 的 横向剪力 3)夹芯的压缩弹性模量和表板的抗

50、压强度 足以防 止表板在设计载荷下的 起皱 4)夹芯应有足够的弹性模量和抗压强度 ,以防止法 向载荷与挠曲变形所产生的 压蹋破坏 . 5)夹层结构应有足够的弯曲和剪切刚度 ,夹芯应该 有足够的厚度和剪切模量 ,以满足 挠曲变形的 设计 要求 夹层结构设计原则 6)夹芯的厚度和剪切模量应足够大 ,防止受压时夹 层结构 总体屈曲 7)蜂窝夹芯的尺寸应足够小 ,以防止在设计载荷下 表板 出现凹陷 8)夹层壁板的封口的连接处应有足够的强度 ,能够 把夹芯和表板连接在一起 ,能将载荷传递到结构的 其它部分 9)表板 ,夹芯 ,粘结挤应匹配 ,要有良好的工艺性 . 夹层结构设计原则 在设计载荷下，面板的面

51、内应力应小于材料强度，或在设计 载荷下，面板应变小于设计许用应变； 芯子应有足够的厚度（高度）及刚度 ； 芯子应有足够的弹性模量和平压强度，以及足够的芯子与面 板平拉强度； 面板应足够厚，蜂窝芯格尺寸应合理； 应尽量避免夹层结构承受垂直于面板的平拉或平压局部集中 载荷； 胶粘剂必须具有足够的胶接强度，同时还要考虑耐环境性能 和老化性能； 碳纤维层合面板与铝蜂窝芯子胶接面要注意防止电偶腐蚀问 题； 对雷达罩等有特殊要求的夹层结构，面板、芯子和胶粘剂选 择必须考虑电性能、阻燃、毒性和烟雾等特殊设计要求。 （ 2）夹层结构设计准则 结构设计的步骤： 第一步：根据外载大小，初步确定夹层结构 形式及尺寸

52、。 第二步：根据初定结构，用有限元法（或工 程设计计算方法）确定内力及支反力。 第三步：根据第二步的分析结果，按强度准 则修改芯子密度及面板厚度。 第四步：根据修改后的结构尺寸，再进行有 限元应力分析，并进行详细的强度校核，检查 其强度。刚度和稳定性是否满足要求。 重复第三至第四步，直至得到合适的设计结 果。 夹层结构细节 （ 1）边缘闭合设计 边缘闭合有两种基本形式： 面板折成斜面闭合 ， （如图 a）和 边缘连接件闭合 （如图 b）。 （ 2）芯子增强设计 夹层结构由于垂面载荷 作用或强度、刚 度要求等原因，芯子需要增强。一般采取充 填树脂胶、局部芯子加密、加入垫块或成形 件等办法增强芯子

53、，如下图所示。 （ 3）防潮密封设计 蜂窝夹层结构防潮设计措施有以下两点： 复合材料面板表面涂密封剂，如 H101 H103封 孔剂， W06-2 底漆和 Wof-1 面 o漆； 密封所有水分可能浸入蜂窝芯格的通道，密封 措施如下图所示。 （ 4）受侧压夹层板边缘支持的设计建议 夹层板受侧压作用，边缘支持设计应避免发生 面板弯曲引起的平拉伸分层开裂，如图 a所示为不满 意设计。 为此，应在夹层板边缘处将蜂窝削成斜面、面 板闭合与支持结构胶接连接，结合面承受剪切载荷， 如图 b所示为满意设计。 夹层梁的设计 1) 对于给定 设计载荷和边界条件的夹层梁 ,求 最 大弯距 M 与最大剪力 Q f M

54、 Z bs = 2) 确定表板的许用应力 f 3) 计算 单位宽度 所要求的 截面弯曲模量 Z 4)按照 质量最小原则计算夹层梁的总厚度 d 和表板厚度 t的初始比值 2 1 t c d t r r =+ )根据 值和 d/t的初始值 确定夹层梁的 总厚度 d 和表板厚度 tf值 )验算表板应力 f值 ()ffff M b t d t ss= - 夹层梁的设计 7)求夹芯厚度 tc 2cft d t=- 8)验算表板应力 值 2 ()cc c Q b d t tt= + ct 夹层梁的设计 9)当 刚度是主要设计要求时 ,则需要计算两个刚度参 数 D 与 U 33 ( 1 ) 12 f c c

55、 f bE E D d t E = - - 夹芯纵向压缩弹性模量 表板的拉伸弹性模量 1 f=- 表板的泊松比 2 c c h U G b t = f c fh d t t t= - + 夹芯的剪切弹性模量 用 D 与 U 计算挠度 3 sB k P Lk P L DU =+ 外载荷 跨度 与边界条件有关 如果计算挠度 大于设计要求的值 ,则应该 增加夹芯厚度 , 或者 采用剪切模量较大的夹芯材料 受法向均布载荷的夹层平板设计 适用于边界条件为 四边简支的矩型夹层平板 边长为 a与 b 表板 :准各向同性 ; 各向异性 :许用应力取各方向中较小的值 . 夹芯 :各向同性 (泡沫 ) 各向异性

56、(蜂窝 ) 平行于 a 边的横截面 内的剪切模量 Gca 平行于 b 边的横截面 内的剪切模量 Gcb 1)计算单位长度上的 最大弯矩 2M p b= 法向分布载荷 短边长 2)根据选用的表板材料和铺层材料 ,确定 许用应力 f 受法向均布载荷的夹层平板设计 3)由质量最小关系式 ,求 表板厚度与夹芯厚度 2 c f ff M t r rs = 表板许用应力 夹芯密度 表板材料密度 铺层的单层厚度 0ft nt= 铺层数 2 f c cf M t r rs = 受法向均布载荷的夹层平板设计 4)计算刚度参数 2 1 1 2 2 2 1 1 2 2() f f f f c f f f f c a

57、 E t E t t V E t E t b G = + 2 22 f f c ca E t t V bG = 不同表板 相同表板 1 f=- 表板泊讼比 表板 1,2的弹性模量 表板 1,2的厚度 受法向均布载荷的夹层平板设计 5)计算板中心的最大弯矩 2 324 16 ()af pb M C C =+ 2 324 16 ()bf pb M C C =+ 短边 长边 板件单位宽度与单位长度的弯矩 受法向均布载荷的夹层平板设计 7)夹层板中的 最大剪力 发生在 板长边的中间位置 43 16 a pbQC = A边上剪力 33 16 b pbQC = b边上剪力 剪应力 2 a a c Q dt

58、 t = + 2 b b c Q dt t = + 选择适当的夹芯满足上 述要求 受法向均布载荷的夹层平板设计 8)计算挠度 若设计中对夹层板的挠度有要求 则应计算板的挠度 : 4 16 16 pb C D = 33 ( 1 / ) 12 f c c f E D d t E E = - - 2 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 f f f f f f f f h E t E t D E t E t = + 相同表板 不同表板 表板中心线之间的距离 表板 1与 2的参数 2111 f=-2221 f=- 如果计算挠度 大于设计要求的值 , 则 应该增加夹芯厚度 , 或者 增加表板厚度 ,满足设计要求 受法向均布载荷的夹层平板设计