复合材料夹层结构分析1

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1、第五章夹层结构设计Designofsandwichstructure1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Asandwichpanel(12mmthickness)withanaluminiumfoamcoreandtwosteelfaceplatesSweden(a)TheBeechStarship(b)Voyager一夹层结构的原理在航空、风力发电机叶片、体育

2、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，夹层结构得以发展的主要原因玻璃钢材料的特点是强

3、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，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

4、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(m^2/m)重量(kg)比刚度铝蜂窝夹层板201.15x10^66.310.8铝板12.51.15x10^633.85.3钢板8.751.15x10^668.71.0幕墙(1mx2m

5、)风压300kgf/m^2风压500kgf/m^215mm厚夹层板变形量5.2mm变形量10.5mm20mm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。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

6、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

7、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。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

8、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。