蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

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1、1.1.夾層結(jié)構(gòu)一種復(fù)合構(gòu)造的板、殼結(jié)構(gòu)，它的兩個(gè)表面由很薄的板材做成,中間夾以較輕的夾芯層。前者稱(chēng)為表板,要求強(qiáng)度高；后者稱(chēng)為夾層，要求重量輕。第二次世界大戰(zhàn)時(shí),為了充分利用木材資源,英國(guó)的“蚊式”轟炸機(jī)上就采用了全木質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)。一般夾層結(jié)構(gòu)用于機(jī)翼、尾翼、機(jī)身、箭體、箭頭、減速板、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、隔音裝置、防火隔板等。與薄壁結(jié)構(gòu)的薄蒙皮相比，夾層板的厚度大得多，抵抗失穩(wěn)能力強(qiáng)，重量還可減小，而且表面光滑，氣動(dòng)外形良好。但它的制造工藝復(fù)雜，工藝質(zhì)量又不易檢驗(yàn)，所以應(yīng)用受到限制。夾層結(jié)構(gòu)表板的材料有鋁合金、不銹鋼、鈦合金和各種復(fù)

2、合材料。夾層材料有輕質(zhì)木材、泡沫塑料等，也可用金屬材料或復(fù)合材料制成波紋板夾層或蜂窩型夾層（見(jiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)）。夾層與表板一般用膠粘結(jié)在一起,也可用熔焊、焊接連接,形成整體。在總體受力分析中，認(rèn)為上、下兩表板只承受表板面內(nèi)的拉、壓力和剪切力,不能承受彎矩和扭矩,而中間夾層只承受垂直于夾層中面的切力。夾層結(jié)構(gòu)與一般板殼結(jié)構(gòu)受力分析的唯一差別在于撓度計(jì)算中除了考慮彎曲力矩產(chǎn)生的撓度外，還要考慮剪力的影響。夾層結(jié)構(gòu)的兩表板之間距離較大，所以?shī)A層結(jié)構(gòu)的彎曲剛度比一般板殼結(jié)構(gòu)大得多，失穩(wěn)臨界應(yīng)力顯著提高。夾層結(jié)構(gòu)自身不用鉚釘,免除了釘孔引起

3、的應(yīng)力集中,提高了疲勞強(qiáng)度。夾層結(jié)構(gòu)與相鄰結(jié)構(gòu)的連接較為復(fù)雜，夾層本身的局部接觸強(qiáng)度較弱,又需承受連接的集中力,因此必須妥善進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)。輕質(zhì)夾芯高強(qiáng)度面層1.1.類(lèi)型、特點(diǎn)及應(yīng)用類(lèi)型：按面層分類(lèi)：玻璃鋼、金屬、絕緣紙、膠合板、塑料板等按芯層分類(lèi)：泡沫夾層結(jié)構(gòu)、波板夾層結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等。特點(diǎn)：泡沫夾層結(jié)構(gòu)的夾芯材料是泡沫塑料其質(zhì)量輕、剛度大、保溫隔熱性能好。但是強(qiáng)度不高蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的夾芯材料是蜂窩材料(玻璃布蜂窩、紙蜂窩、棉布蜂窩等)特點(diǎn)：質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、剛度大應(yīng)用：構(gòu)件尺寸較大、強(qiáng)度要求較高的部件。如圖：波板夾層結(jié)構(gòu)波

4、板夾層結(jié)構(gòu)的夾芯材料是波紋板(玻璃鋼波紋板、紙基波紋板和棉布波紋板)。特點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單，節(jié)省材料，但不適用于曲面形狀的制品，質(zhì)量輕、剛度大。2.蜂窩夾層結(jié)構(gòu)2.1.概念性說(shuō)明蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料的一種特殊類(lèi)型。由于這種輕型結(jié)構(gòu)材料具有最優(yōu)比強(qiáng)度、比剛度、最大抗疲勞性能、表面平整光滑等特點(diǎn),已在中國(guó)航天領(lǐng)域得到較為廣泛地應(yīng)用。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是由3種基本材料組合而成的復(fù)合材料,這為結(jié)構(gòu)人員提供了廣泛改變參數(shù)以滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的可能性。目前在型號(hào)任務(wù)中最常用的為鋁面板-鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、碳纖維面板-鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、玻璃鋼面板-玻

5、璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、芙拉纖維面板-凱Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等,其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,外形尺寸精度要求高、工序內(nèi)容多、研制周期長(zhǎng)。其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)在研制、、試驗(yàn)裝配和搬運(yùn)過(guò)程中容易出現(xiàn)各種損傷。文章結(jié)合研制生產(chǎn)實(shí)踐,分析了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的幾種主要破壞模式,從而可采取相應(yīng)措施,防止各種損傷破壞,提高產(chǎn)品質(zhì)量。2.2.蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的組成蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由3個(gè)元件組成：1)一對(duì)薄而強(qiáng)的面板,以承受軸向載荷、彎矩和面內(nèi)剪力;2)厚而輕的蜂窩芯子,它將上、下面板隔開(kāi),以承受由一個(gè)面板傳遞到另一個(gè)面板的載荷和橫向剪力;3)膠粘劑,它能將剪

6、力傳遞至蜂窩芯子和由蜂窩芯子傳遞只面板2.3蜂窩夾層結(jié)構(gòu)常用面板材料、蜂窩芯材和膠粘劑2.2.1.面板材料面板的主要功能是提供要求的軸向彎曲和面內(nèi)剪切剛度,以承受軸向彎曲和面內(nèi)剪切載荷,在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中,面板常用預(yù)浸樹(shù)脂石墨纖維單向帶或織物,也有采用鋁合金面板或玻璃鋼面板等,面板的選擇按實(shí)際使用要求選定。2.2.2.蜂窩芯子蜂窩芯子形狀主要采用正六邊形。航天結(jié)構(gòu)中的蜂窩芯子材料一般采用鋁蜂窩芯子、Nomex蜂窩芯子及玻璃鋼蜂窩芯子。2.2.3.膠粘劑膠粘劑是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研制生產(chǎn)中的重要材料,它對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)

7、性能和制造工藝性能有一定影響。為此對(duì)膠粘劑的主要性能提出了各種要求,主要有空間環(huán)境條件下性能穩(wěn)定性、較好的綜合力學(xué)性能、工藝性能好、使用方便,同時(shí)在現(xiàn)有儲(chǔ)存條件下儲(chǔ)存期不低于6個(gè)月。對(duì)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不同的使用部位和不同的要求,可選用下列各種膠粘劑:1)結(jié)構(gòu)膠粘劑—用于面板和蜂窩芯子膠接;2)泡沫膠粘劑—用于蜂窩芯子與預(yù)埋件膠接、局部填充和加強(qiáng);3)拼接膠粘劑—用于大面積蜂窩芯子的拼接;4)灌注膠粘劑—用于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件成型后鑲嵌件的后埋;5)膠接熱管膠粘劑—用于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件中的熱管膠接。2.3.蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

8、力學(xué)性能特性蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是上、下面板的材料厚度一般情況下均相同,而且比蜂窩芯子高度小得多,面板材料的強(qiáng)度和剛度一般均較高。根據(jù)夾層板力學(xué)分析基本理論,其主要力學(xué)性能特征如下:1)彎矩主要由面板承擔(dān)。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由面板承擔(dān)的彎矩要遠(yuǎn)大于由芯子承擔(dān)的彎矩;2)面板中的應(yīng)力沿厚