【复合材料夹层结构分析】
《复合材料工艺与设备》第3章夹层结构
原
丁醛胶和环氧树脂等
材
料
《复合材料工艺与设备》第3章夹
层结构
第三章 夹层结构
课件
3.2.1
(1) 聚醋酸乙烯酯
蜂
窝
无毒，价格便宜，可在室温下固化。 此种胶
夹
易溶于苯乙烯，故用此胶制作的蜂窝不能浸聚酯
层
树脂。它既可用机械涂胶，也适用于手工涂胶。
结
构
菱形
矩形
特
点
及
应
用
正弦曲线形 《复合材料工艺与设备》第3章夹
层结构
有加强带的六边形
第三章 夹层结构
课件
3.1.2
类
型
、
特
点
蜂窝芯子
及 应
T-蜂窝高度；L-纵向长度；W-横向宽度；c-蜂窝芯 子的斜边长度；d-蜂窝芯子的节线长度；t-蜂窝芯
用
子的斜边壁厚；θ-蜂窝芯子斜边与节线间的夹角
《复合材料工艺与设备》第3章夹 层结构
在同样承载能力下，大大减轻结构的自重。
3.1
《复合材料工艺与设备》第3章夹 层结构
3.1.1
第三章 夹层结构
课件
3.1.1发展概况 第二次世界大战以来，在军事、航空工业中得
到发展。目前已在飞机，船舶，车辆，建筑，轻
工，交通运输等多个领域广泛应用。
飞机头部的雷达罩、机翼、
发
尾锥、地板、炸弹舱门等。
展
第三章 夹层结构
课件
3、夹层结构成加入型芯工材的艺目及的：设维备持两面板
3.1 概述
之间的距离，使夹层面板截面 的惯矩和弯曲刚度增大。
由高强度的蒙皮(表层)与轻质芯材组
成的一种结构材料。
概 玻璃钢夹层结构 述
夹层结构复合材料设计原理及其应用
夹层结构复合材料设计原理及其应用
夹层结构复合材料是一种由两层或多层材料组成的复合材料，其中夹层材料通常是一种轻质、高强度的材料，如泡沫塑料、蜂窝结构、铝合金等，而外层材料则通常是一种高强度、高刚度的材料，如碳纤维、玻璃纤维等。
夹层结构复合材料的设计原理是通过组合不同的材料，以达到优化材料性能的目的。
夹层结构复合材料的应用非常广泛，特别是在航空航天、汽车、建筑等领域。
在航空航天领域，夹层结构复合材料被广泛应用于飞机机身、机翼、尾翼等部件中，以提高飞机的强度和刚度，同时减轻重量，提高燃油效率。
在汽车领域，夹层结构复合材料被应用于车身、底盘等部件中，以提高汽车的安全性能和燃油效率。
在建筑领域，夹层结构复合材料被应用于建筑外墙、屋顶等部件中，以提高建筑的抗风、抗震性能，同时减轻建筑重量，降低建筑成本。
夹层结构复合材料的设计原理是通过选择不同的材料，以达到优化材料性能的目的。
例如，在航空航天领域，夹层结构复合材料通常由碳纤维和泡沫塑料组成，碳纤维提供高强度和高刚度，泡沫塑料提供轻质和吸能性能。
在汽车领域，夹层结构复合材料通常由玻璃纤维和铝合金组成，玻璃纤维提供高强度和高刚度，铝合金提供轻质和耐腐蚀性能。
在建筑领域，夹层结构复合材料通常由钢板和聚氨酯泡沫组成，钢板提供高强度和高刚度，聚氨酯泡沫提供轻质和隔热性能。
夹层结构复合材料是一种非常重要的材料，它具有轻质、高强度、高刚度、吸能性能等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
夹层结构复合材料的设计原理是通过选择不同的材料，以达到优化材料性能的目的。
未来，随着科技的不断发展，夹层结构复合材料将会得到更广泛的应用。
复合材料中常见的夹芯材料介绍
复合材料中常见的夹芯材料介绍1、夹芯结构材料定义夹芯结构材料（sandwich material），又叫夹层结构材料，是一种复合材料夹层结构。
夹层结构材料的整体受力原理类似工字梁。
夹层结构材料的面板承受由弯矩引起的面内正应力和面内剪切应力，芯材主要承受由面板传来的横向剪切应力，与此同时还具有稳定两块面板，防止局部屈服的作用。
夹层结构材料具有优良的比刚度和比强度，即在同等刚度和强度下，重量更低。
此外，夹层结构材料还具有削弱噪音与震动、隔热、抗疲劳、阻燃、吸声、隔震等优点。
夹层结构材料通过合理选择芯材和面板，可以有效降低材料的单位体积成本。
常用的夹层结构材料芯材主要分为三类：硬质泡沫、蜂窝和轻木。
硬质泡沫主要有：聚氯乙烯（PVC）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚氨酯（PU）、聚乙烯（PET）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）。
蜂窝：常见的蜂窝芯材有NOMEX蜂窝、铝蜂窝、棉布蜂窝、玻璃布蜂窝等。
轻木：轻木芯材是一类天然可再生芯材，原料为巴尔沙轻木2、夹芯材料的应用介绍通常夹层结构材料的强度要高于单独的面板材料或芯材刚度、强度，且重量、成本等均低于单一材料，因此被广泛应用于建筑、公路运输、轨道交通、航空、传播、风电等领域。
芯材是风电叶片关键材料之一，在叶片的前缘、后缘以及腹板等部位，一般采用夹层结构来增加结构刚度，防止局部失稳，提高整个叶片的抗载荷能力。
叶片常用芯材为PVC 泡沫和Balsa。
随着风电市场的日趋成熟，叶片向大型化方向发展，对叶片的重量、质量、成本以及材料的一致性提出新的要求。
现已开发出不同的新型芯材，逐渐在风能行业中得到应用和认可，主要包括聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫（PET）、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫（PMI）、聚醚酰亚胺泡沫（PEI）、丙烯腈-苯乙烯泡沫（SAN）、聚苯乙烯泡沫（PS）、纤维增强复合材料芯材等。
对于芯材，除了要求优异的力学性能外，还需考虑芯材的加工、承受的温度、制品形状以及在叶片中使用的工艺性能。
复合材料夹层结构分析
复合材料夹层结构分析复合材料夹层结构是指由两个或多个不同材料组成的结构，每个材料在夹层结构中的分布和相互作用对整个结构的性能起着重要的影响。
本文将从夹层结构的组成、分析方法和应用领域三个方面进行介绍，并重点探讨夹层结构的应力分析、强度计算和疲劳寿命预测等方面的问题。
夹层结构的组成可以有很多种形式，例如纤维增强复合材料夹层结构、金属-复合材料夹层结构、复合材料-塑料夹层结构等。
其中，纤维增强复合材料夹层结构是最常见的一种形式。
在纤维增强复合材料夹层结构中，一般由多层纤维增强复合材料板材和粘接剂层组成。
其中，板材是由纤维和基体材料复合而成的，粘接剂层用于将不同板材连接在一起。
夹层结构的分析方法可以通过有限元分析、理论分析和试验分析等途径进行。
其中，有限元分析是最常用的分析方法之一、有限元分析可以通过将夹层结构离散化成有限个小单元，然后利用数值方法求解得到夹层结构的应力、应变和变形等信息。
在进行有限元分析时，需要考虑夹层结构的几何形状、材料特性和加载方式等因素，并选择合适的有限元模型和边界条件。
夹层结构的应力分析是夹层结构分析的关键一步。
应力分析可以通过解析方法、数值方法和试验方法进行。
在解析方法中，常用的有层合板理论、三维理论和剥离理论等。
层合板理论是最常见和简化的一种方法，它假设夹层结构是一个薄板，在板厚方向上应力变化不大。
三维理论则考虑了夹层结构的厚度效应，可以更准确地描述夹层结构的应力分布。
而剥离理论则主要用于描述夹层结构在受剪力作用下的剥离破坏。
夹层结构的强度计算是夹层结构分析中的另一个重要内容。
强度计算可以通过解析方法和试验方法进行。
在解析方法中，常用的有杠杆平衡法、层合板理论和损伤力学等。
杠杆平衡法可以用于计算夹层结构的最大弯曲应力和最大剪应力等。
层合板理论可以用于计算夹层结构的最大应力和最大应变等。
而损伤力学则可以用于描述夹层结构的疲劳寿命和损伤演化过程等。
夹层结构的疲劳寿命预测是夹层结构分析的重要内容之一、疲劳寿命预测可以通过数值模拟和试验验证相结合的方法进行。
复合材料蜂窝夹层结构的优化设计
复合材料蜂窝夹层结构的优化设计一、引言复合材料蜂窝夹层结构是一种新型的轻质高强材料结构，其具有优异的力学性能和重量比。
因此，在航空航天、汽车、船舶等领域中得到广泛应用。
本文将对复合材料蜂窝夹层结构的优化设计进行探讨。
二、复合材料蜂窝夹层结构的组成复合材料蜂窝夹层结构由三部分组成：面板、蜂窝芯和面板。
其中，面板是由复合材料制成的，通常采用碳纤维或玻璃纤维增强塑料；蜂窝芯是由铝或塑料等轻质材料制成，具有良好的抗压性能；最后一层面板与第一层面板相同。
三、复合材料蜂窝夹层结构的力学性能1. 抗弯强度高：由于采用了轻质高强度的蜂窝芯，使得该结构在承受外力时能够有效地抵抗弯曲变形。
2. 抗压性好：由于采用了铝或塑料等轻质材料作为蜂窝芯，使得该结构在承受外力时能够有效地抵抗压缩变形。
3. 重量轻：由于采用了轻质材料和蜂窝结构，使得该结构的重量比传统材料结构降低了约50%。
4. 热膨胀系数低：由于面板和蜂窝芯的热膨胀系数不同，因此在温度变化时不易发生破裂和变形。
四、复合材料蜂窝夹层结构的优化设计1. 面板厚度的优化设计：面板厚度对复合材料蜂窝夹层结构的强度和重量有着较大的影响。
一般来说，面板越厚，强度越高，但重量也会相应增加。
因此，在优化设计中需要根据具体使用场景和要求选择合适的面板厚度。
2. 蜂窝芯密度的优化设计：蜂窝芯密度对复合材料蜂窝夹层结构的强度和重量也有着较大的影响。
一般来说，密度越小，重量越轻，但强度也会相应减弱。
因此，在优化设计中需要根据具体使用场景和要求选择合适的蜂窝芯密度。
3. 面板和蜂窝芯的材料选择：面板和蜂窝芯的材料选择也是影响复合材料蜂窝夹层结构性能的重要因素。
一般来说，面板采用碳纤维或玻璃纤维增强塑料，而蜂窝芯则采用铝或塑料等轻质材料。
4. 夹层结构的优化设计：夹层结构的优化设计也是影响复合材料蜂窝夹层结构性能的重要因素。
一般来说，采用对称夹层结构可以使得该结构在承受外力时具有更好的抗弯强度和抗压性能。
复合材料夹层结构芯材
复合材料夹层结构芯材夹层结构芯材的应用领域十分广泛，例如在航空航天领域中，夹层结构芯材被广泛应用于飞机机身、机翼和尾翼等部件中，可以显著提高飞机的抗弯刚度、抗压能力和疲劳寿命，同时减轻了整体重量。
在轻型车辆领域，夹层结构芯材可以用于汽车车身和座椅等部件中，提高汽车的碰撞安全性和节能性能。
在建筑领域中，夹层结构芯材可以用于墙体和屋顶等部件中，提高建筑的抗震性能和隔热性能。
夹层结构芯材的主要组成部分是芯材、上下面板和粘接剂。
芯材通常采用轻质、高强度的材料，例如泡沫塑料、铝合金、蜂窝结构等。
泡沫塑料芯材具有质量轻、耐腐蚀、吸音隔热等优点，常用于航空航天和建筑领域。
铝合金芯材具有高强度、刚性好、阻燃性能好等优点，常用于汽车和建筑领域。
蜂窝结构芯材由许多蜂窝状的小腔体组成，具有高比强度、刚度和吸能性能，常用于航空航天领域。
上下面板通常采用玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等高强度材料制成，以提供夹层结构的表面强度。
粘接剂用于将芯材和上下面板牢固地粘接在一起，以形成整体结构。
夹层结构芯材具有许多优越性能。
首先，它具有较高的强度和刚度，能够有效抵抗外部载荷作用下的变形和破坏。
其次，夹层结构芯材具有较低的密度，可以减轻整体重量，提高产品的载重能力和燃油经济性。
此外，夹层结构芯材还具有良好的冲击吸能性能，能够吸收和分散冲击能量，减少事故发生时的伤害。
另外，夹层结构芯材还具有优异的阻燃性能和耐腐蚀性能，能够提高产品的安全性和使用寿命。
然而，夹层结构芯材也存在一些问题和挑战。
首先，制备复杂，加工难度大，需要高精度的模具和复杂的工艺控制。
此外，夹层结构芯材的成本较高，需要考虑生产成本和性能要求之间的平衡。
另外，夹层结构芯材的设计和优化也需要考虑多个因素的影响，包括结构形式、材料选择、制备工艺等，需要进行全面的性能评估和优化设计。
综上所述，夹层结构芯材是一种具有特定性能和结构的夹层材料，应用广泛且具有许多优越性能。
复合材料夹层结构有限元分析
2 复合材料结构理论
在有限元分析软件中，模型单元的形式是建立于不同的 复合材料结构理论的基础上。一种有限元软件的能力优劣取 决于构建有限元分析的基本理论是否完整有效。复合材料夹 层结构构建理论分成三种：即等效单层的二维理论；分层理 论；三维理论，相对应的这三种理论采取的模型单元也可以分 成三种：即层合单元；多层单元；三维固体单元。
体元（夹芯）
单层分割夹芯
多层（二层）分割夹芯
图 2 夹芯分割形式
4 实例
某结构复合材料天线罩壳体分为外、中、内三层面板和中
间两层蜂窝芯的 C 夹层结构形式，面板均由三层石英玻璃布
QW140/BRH100 组成。夹芯为边长 2.75mm 的正六边形蜂窝芯
(NH-1-2.75-64)，单层厚度为 4mm。
分析研究与探讨
Doors & Windows
复合材料夹层结构有限元分析
韩学礼 毛森鑫
中航飞机汉中飞机分公司
摘 要：本文根据复合材料夹层结构受力分析理论，对复合材料夹层结构强度方面的有限元分析进行初步研究，给出了复合 材料结构在强度方面的分析方法。
关键词：复合材料；夹层结构；有限元建模；强度
1 概述
复合材料是由二种以上不同的材料按一定规律组合而 成。在复合材料结构的分析中，要做好两件事情：一是在复合 材料结构的特征尺度上准确地预测复合材料的特征应力参 数；二是采用一个正确的复合材料破坏准则。特征应力参数 的计算与复合材料破坏准则的选择是紧密相关的。某结构复 合材料天线罩主要采用蜂窝夹层结构，即用碳纤维（或玻璃纤 维）层压板为面板、加蜂窝夹芯的夹层结构。通过蜂窝夹芯的 作用，保证面板协调工作（见图 1）。
根据上述情况在复合材料夹层结构有限元强度分析中， 采用分层单元和三维单元模拟全部夹层结构是十分困难的， 现在的商业化有限元分析软件一般都采取层合单元来建模。
复合材料夹层结构分析
复合材料夹层结构分析复合材料夹层结构是一种由两层或多层材料组成的结构，其中不同材料层通过层间粘接或焊接等工艺相连。
它的结构设计旨在充分发挥各种材料的优势，使夹层结构具有较高的性能和应用价值。
在实际应用中，夹层结构广泛用于航空航天、汽车、建筑等领域。
夹层结构的优势主要体现在以下几个方面：1.强度和刚度优势：夹层结构中的不同层材料可以互相补充，使整个结构具有更高的强度和刚度。
例如，夹层结构可以利用高强度纤维增强聚合物复合材料作为外层，在保证较高强度的同时，通过内层材料的增韧作用提高结构的韧性。
2.轻量化优势：夹层结构可以有效减轻整体结构的重量。
由于复合材料的密度较小且具有较高的强度，可以使用薄而轻的复合材料构成夹层结构，从而达到减轻结构重量的目的。
这对于提高载重能力、降低能耗和提高运行效率具有重要意义。
3.抗疲劳和耐久性优势：夹层结构在使用过程中具有较好的抗疲劳和耐久性能。
由于夹层结构中的不同材料层具有不同的性能，使整个结构具有更好的抗疲劳和耐久性能。
例如，夹层结构可以利用耐磨材料作为外层，使结构表面具有更好的耐磨性，提高结构的使用寿命。
4.导热和绝缘性优势：夹层结构中的不同层材料可以起到隔热和隔热的作用。
例如，夹层结构可以利用导热性能较好的材料作为内层，阻止热量向外传导；同时利用导热性能较差的材料作为外层，防止外界热量传入结构中，从而达到保温的目的。
5.吸音和隔音优势：夹层结构中的不同层材料可以起到吸音和隔音的作用。
例如，在建筑领域中，夹层结构可以利用吸音性能较好的材料作为内层，增加结构对声音的吸收；同时利用密度较大的材料作为外层，阻止声音的传播，提高结构的隔音效果。
然而，夹层结构也存在一些挑战和问题。
首先，夹层结构的设计和制造要求较高，需要考虑不同材料层之间的界面粘接强度、尺寸匹配等问题；其次，夹层结构在使用过程中可能存在层间剥离、破裂等问题，需要进行结构损伤评估和修复；最后，夹层结构的成本较高，需要考虑材料选择、制造工艺等问题，以提高经济性。
复合材料夹层结构
)T
避免缝线屈曲，提高斜缝合 泡沫夹层结构力学性能，尤 其是抗压性能；
便于制备大尺寸制件；
Z-pin夹层结构
应用领域
23
Z-pin夹层结构
24
连体织物及复合材料
面层
纤维 芯柱
面层
三维间隔连体织物是一种层与 层之间由连续纤维芯柱相接而 成一体呈空芯结构的编织物
面层之间芯柱经向呈“8”字形， 纬向呈“1”字形
3.0
70°-80°
2.5
60°-70°
Stress (MPa)
2.0
平
1.5
压
1.0
0.5
0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Strain
芯柱断裂破坏 芯柱与面层夹角成80°-90°时性能最佳
Stress (MPa)
1.2
1.0
剪
0.8
切 0.6
warp weft
Time / s
树脂沿芯柱纤维浸润距离-时间曲线
经向
纬向
上下面层异步浸胶方法：
首 先 将 其 总 量 的 30% 均 匀
涂覆在模具上，使树脂完
全浸入织物下面层，然后
将剩余树脂均匀涂覆在织
物上面层。
粘度越小下浸速度和上浸速
度差异越大
27
连体织物及复合材料
树脂含量对浸渗质量的影响
1.93 kg/m2
2.31 kg/m2
Fiber volume fraction/% Distance/cm
50
5mm 8mm
10mm
40
30
20
10
0 0.00
0.02 0.04 0.06 0.08 Vacuum pressure/MPa
夹层复合材料结构与失效机制
夹层复合材料结构与失效机制夹层复合材料是由两层不同材料组成的结构，中间通过粘合剂粘合在一起。
它具有很高的强度和刚度，同时具备较低的重量。
夹层复合材料被广泛应用于航空航天、汽车工业和建筑领域等。
夹层复合材料的结构通常由外层材料、粘合剂和内层材料组成。
外层材料一般是高强度、高刚度的纤维增强复合材料，如碳纤维增强聚合物。
内层材料则可以是轻质材料，如泡沫塑料或铝合金。
粘合剂的选择非常关键，它能够提供夹层结构的强度和刚度。
夹层复合材料的失效机制主要包括剪切失效、剥离失效和层间剪切失效。
剪切失效是指外层和内层材料之间的剪切应力超过材料的强度极限，导致复合材料出现破坏。
剥离失效是指粘合剂与外层或内层材料之间的粘结强度不足，导致粘合剂与材料分离。
层间剪切失效是指在复合材料的层间产生剪切力，导致层间的失效。
在夹层复合材料的设计和制造过程中，需要考虑以下几个因素来提高结构的强度和耐久性。
首先，选择合适的外层和内层材料，使它们具备良好的力学性能和耐腐蚀性能。
其次，选择合适的粘合剂，确保粘合剂与材料之间具有良好的粘结强度。
第三，对结构进行合理的设计，避免应力集中和缺陷的产生。
最后，在制造过程中，需要严格控制工艺参数，确保夹层复合材料的质量稳定。
夹层复合材料在航空航天领域中的应用非常广泛。
例如，飞机的机翼和机身通常采用夹层复合材料结构，以提高飞机的性能和燃油效率。
在汽车工业中，夹层复合材料被用于制造车身和车门等零部件，以提高汽车的安全性和节能性。
在建筑领域，夹层复合材料被用于制造外墙板和屋顶材料，以提高建筑物的抗风性能和隔热性能。
夹层复合材料具有很高的强度和刚度，在航空航天、汽车工业和建筑领域有着广泛的应用。
夹层复合材料的结构和失效机制对于设计和制造过程非常重要，需要合理选择材料、粘合剂和工艺参数，以提高结构的性能和耐久性。
夹层复合材料的应用将为各个领域带来更加先进和高效的解决方案。
夹芯结构材料
复合材料
复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料， 各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基 体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有 玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、单晶晶须、金属丝和硬质细粒等。同时60年代， 为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、 碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×10cm，比模量大于4×10cm。为了与第一代玻璃纤维增 强树脂复合材料相区别，这种复合材料被称为先进复合材料（新材料，Advanced Composites Material，简称 ACM）。ACM具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、减震、耐高（低）温等 特点，已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑等行业。
夹芯结构材料
复合材料夹层结构
01 简介
03 特点 05 复合材料
目录
02 构成 04 种类 06 应用
夹芯结构材料（sandwich material），又叫夹层结构材料，是一种复合材料夹层结构。
简介
夹芯结构材料（sandwich material），又叫夹层结构材料，是一种复合材料夹层结构，英国最早于1938年 应用于蚊式轰炸机的制造。
种类
常用的夹层结构材料芯材主要分为三类：硬质泡沫、蜂窝和轻木。
1)硬质泡沫：
2)蜂窝：常见的蜂窝芯材有NOMEX蜂窝、铝蜂窝、棉布蜂窝、玻璃布蜂窝等。蜂窝芯材具有较好的强度和刚 度，但由于蜂窝芯材存在孔洞，因此和面板的粘连效果不如泡沫芯材。
夹层结构复合材料设计原理及其应用
夹层结构复合材料设计原理及其应用夹层结构复合材料是一种由两层面材料夹着一层中间材料构成的结构。
这种复合材料由于具有优异的性能，如高强度、高刚度、低密度、抗疲劳、耐腐蚀、耐高温等特点，被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑和体育器材等诸多领域。
1.材料的选择夹层结构复合材料的强度和刚度取决于所采用的面材料和中间层材料的性能。
一般来说，面材料应具有良好的拉伸强度和弹性模量，而中间层材料则应具有较高的剪切强度和剪切模量。
为了满足工程应用的需求，还需要考虑材料的密度、成本、加工性能和耐久性等因素。
2.层间界面的设计夹层结构复合材料中，面材料与中间层材料之间的层间界面是复合材料性能的关键因素之一。
层间界面的强度和粘结性决定了材料的整体强度和耐久性。
为了保证夹层结构复合材料的性能，需要选择适当的胶粘剂或界面剂，并对界面进行加强处理，如表面处理、微观结构设计等方法。
3.结构的设计夹层结构复合材料的结构设计需要考虑受力情况、应力分布、连接方式等因素。
合理的结构设计可以提高复合材料的整体强度和刚度，减小材料的重量和成本。
在具体的工程应用中，还需要考虑材料的制造工艺和加工方便性等因素。
夹层结构复合材料的应用也十分广泛，例如：1.航空航天领域在航空航天领域，夹层结构复合材料可以用于制造飞机机翼、机身、桁架等部件，以及卫星、火箭等航天器。
这些部件通常需要具有高强度、高刚度、低密度、抗疲劳、耐腐蚀、耐高温等特点，而夹层结构复合材料正好可以满足这些要求。
2.汽车领域在汽车领域，夹层结构复合材料可以用于制造车身、车门、引擎罩等部件。
这些部件可以大大降低汽车的重量，提高燃油效率和性能，并且具有较好的吸音和隔热效果。
3.建筑领域4.体育器材领域在体育器材领域，夹层结构复合材料可以用于制造滑雪板、高尔夫球杆、网球拍等器材。
这些器材具有高强度、高刚度、低重量、优异的灵敏性和稳定性，可以提高运动员的表现水平。
【复合材料夹层结构分析】
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
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
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。
•
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。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。
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【复合材料夹层结构分析】
16、自己选的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
复合材料成型工艺 夹层结构制造技术
复合材料成型工艺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，中间层是较厚的轻质材料，玻璃钢夹层结构实际上是复合材料与其它轻质材料的再复合。
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。
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。
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。
在要求透微波的雷过罩中，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。
1、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，矩形夹层结构和圆形夹层结构。
（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。
复合材料夹层结构基本原理
复合材料夹层结构基本原理前言我国复合材料工业的发展起始于20世纪50年代，经过50余年的发展，由于“轻质高强”的优异性能，其应用领域已由最初的航空航天和国防业渗透到了当今国民经济的各个领域，如化工管罐，运动器材，汽车部件，建筑，船艇，轨道交通，风力发电叶片等等。
随着复合材料应用领域的扩展，产品的尺寸不断变大，夹层结构的应用也越来越广泛。
1 复合材料夹层结构基本原理复合材料夹层结构由强度很高的面层和强度较低的轻质夹芯材料组成，在弯曲荷载下，上下面层承担主要的拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力。
芯材的力学作用机理是连接面层使之成为整体构件，让薄而强的面层在承担较高拉压应力的同时不发生屈曲，并将剪切力从面层传向内层。
以面层厚度相等的单夹层结构在弯曲载荷作用下的响应为例，来说明夹层结构的基本原理。
1.1 面层和芯材的拉、压应力分布在弯曲载荷作用下，假设面层和芯材的界面没有损坏，即在界面处的变形是连续的，且材料处于线弹性范围内，则夹层结构产生的拉压应变分布如图1所示。
由于面层和芯材的弹性模量不同，所以其应力分布会发生突变，面层的拉、压应力远大于芯材的拉、压应力，如图2所示。
图2 截面拉、压应力分布根据材料力学梁的弯曲理论，根据夹层结构的几何数据和各部分材料的弹性模量可以算出结构的等效刚度（EI）eq，则面层和芯材部位产生的拉、压应力如下：（1）（2）式中，M：夹层结构承受的弯矩y：离中性轴的距离Ef：面层的弹性模量Ec：夹芯材料的弹性模量1.2 面层和芯材的剪应力分布根据材料力学梁的弯曲理论，夹层结构中的剪应力分布如图3所示。
图3 剪应力分布图4简化后的剪应力分布在工程实践中，为便于计算，可以对其进行线性简化，如图4所示。
那么剪应力可按下式进行简化计算：（3）（4）式中，Q：截面承受的剪力b：夹层结构梁的宽度c：芯材的高度1.3 面层和芯材的匹配从上面的分析可以看到，面层承担了大部分的拉、压力，芯材承担了大部分的剪力。
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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。
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•
Foam core material
PMI: Polymethacrylimide PVC: Polyvinylchloride
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。
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 重量(kg) N(m^2/m)
1.15 x 10^6 1.15 x 10^6 1.15 x 10^6 6.3 33.8 68.7
比刚度
10.8 5.3 1.0
铝蜂窝夹层板 20 铝板 钢板 12.5 8.75
表2 铝蜂窝板抗风压力能力
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
• 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。
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•
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，
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意
同时，对于很薄的薄壁夹层结构，还需要注
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。
夹层结构得以发展的主要原因
• 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，
机翼的前缘和尾翼，起落架舱门、其它各种舱门和 整流罩。
在航空领域，一些常见的使用NOMEX蜂窝的结构有：
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。
蜂窝材料
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蜂窝材料主要有 铝蜂窝、 (芳香聚酰氨)NOMEX蜂窝
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和普通纸蜂窝。
铝蜂窝
• • • • 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。 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。
• 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。
A sandwich panel (12 mm thickness) with an aluminium foam core and two steel faceplates
Sweden
(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。
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。
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。
• 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.
•
木 材
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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。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。
芯子材料选择应遵循的原则有
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。
目前，主要的夹心材料有
• 蜂窝材料，泡沫材料和木材
泡沫材料
• 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。
第 五章 夹层结构设计 Design of sandwich s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