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)，它的兩個表面由很薄的板材做成,中間夾以較輕的夾芯層。前者稱為表板,要求強度高；后者稱為夾層，要求重量輕。第二次世界大戰(zhàn)時,為了充分利用木材資源,英國的“蚊式”轟炸機上就采用了全木質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)。一般夾層結(jié)構(gòu)用于機翼、尾翼、機身、箭體、箭頭、減速板、發(fā)動機短艙、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，重量還可減小，而且表面光滑，氣動外形良好。但它的制造工藝復(fù)雜，工藝質(zhì)量又不易檢驗，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

2、、鈦合金和各種復(fù)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，所以夾層結(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

3、結(jié)構(gòu)自身不用鉚釘,免除了釘孔引起的應(yīng)力集中,提高了疲勞強度。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度較弱,又需承受連接的集中力,因此必須妥善進行接頭設(shè)計。輕質(zhì)夾芯高強度面層1.1.類型、特點及應(yīng)用類型：按面層分類：玻璃鋼、金屬、絕緣紙、膠合板、塑料板等按芯層分類：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：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：質(zhì)量輕、強度大、剛度大應(yīng)用：構(gòu)件尺

4、寸較大、強度要求較高的部件。如圖：波板夾層結(jié)構(gòu)波板夾層結(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：制作簡單，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.概念性說明蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料的一種特殊類型。由于這種輕型結(jié)構(gòu)材料具有最優(yōu)比強度、比剛度、最大抗疲勞性能、表面平整光滑等特點,已在中國航天領(lǐng)域得到較為廣泛地應(yīng)用。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)實質(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)計技術(shù)指標(biāo)的可能性。目前在型號任務(wù)中最常用的為鋁

5、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。其輕質(zhì)高強的特點在研制、、試驗裝配和搬運過程中容易出現(xiàn)各種損傷。文章結(jié)合研制生產(chǎn)實踐,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個元件組成：1)一對薄而強的面板,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

6、面板隔開,以承受由一個面板傳遞到另一個面板的載荷和橫向剪力;3)膠粘劑,它能將剪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

7、.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,它對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能和制造工藝性能有一定影響。為此對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,同時在現(xiàn)有儲存條件下儲存期不低于6個月。對于蜂窩夾層結(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;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

8、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)合材料力學(xué)性能特性蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的主要特點是上、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)的彎矩要遠大于由芯子承擔(dān)的彎矩;2)面板中的應(yīng)力沿厚