蜂窝夹层结构的低温力学性能
1998年第4期低 温 工 程
N o .
4 1998 总第104期
CR YO GEN I CS
Sum N o .104
于1998年3月9日收到。张建可,男,44岁,副研究员。
蜂窝夹层结构的低温力学性能
张建可 冀勇夫 李智华
(兰州物理研究所 兰州 730000)
摘要 以选定的一种蜂窝夹层结构为例,对其低温力学性能即拉伸、压缩、剪切等进行了各种外界环境包括温度、粒子辐照、紫外辐照、冷热循环等影响前后的性能测试和研究。在大量试验的基础上,通过理论分析,找出了影响其低温力学性能的主要因素和变化规律,建立了用已知参数或常温参数推算蜂窝夹层结构低温力学性能的数学模型和计算公式。该模型的建立对于蜂窝夹层结构低温力学性能的设计具有较重要的指导意义。
主题词 蜂窝夹层结构 低温力学性能 计算公式
1 前言
蜂窝夹层结构具有重量轻、强度高、刚性好等特点,通过改变夹层结构材料、结构尺寸、结构工艺可广泛用于宇航、航空等工程领域。在常温下,其力学性能及变化规律和影响因素已进行了广泛的研究和讨论[1,2],但对于使用在低温及其它特殊环境下的力学性能及变化规律研究较少。本文以一种碳纤维网状单层面板铝蜂窝夹芯结构为特例,对其低温力学性能进行测试研究。由于蜂窝夹芯结构种类繁多,性能受工艺、结构、材料影响较大,加上试验条件有限,只能从中找出一些具有普遍意义的规律性东西,供研究参考。
我们研究的试样结构及试样方向示意图,见图1。试样两面是M 40碳纤维和环氧648复合的单向排布层板组成的正交网格,网孔尺寸为3mm ×3mm ,面板厚度约为012mm 。蜂窝芯是美国H EXCEL 公司生产的,采用了5056铝合金,铝箔厚度为010178mm ,孔尺寸为
91525mm ,蜂窝等效密度为16kg m 3
。
2 测试结果与试样分析
试样均采用通常的试验方法[3],试样为60mm ×60mm ×25mm 的正方形,其力学性能
与温度的关系见图2～图4
。
图1 试样结构及试样方向示意图
从试验数据可以看出,对平面拉伸试样来说,温度下降,拉伸强度下降。分析其原因,
主图2 拉伸强度、模量与温度关系曲线
图3 剪切强度、模量与温度关系曲线
要是因为蜂窝夹芯结构是由胶、面板材料和芯子胶接而成,对于平面拉伸试样来说,受力方向沿结构的T 方向。芯子和胶的强度起了主要作用。对于铝箔蜂窝芯子而言,沿T 方向上强度较高,且铝箔蜂窝芯子与面板粘接面积又少,因此,胶的粘接强度起了决定性作用。大多试验进行后,试样芯子均完好就证明了这一点。在蜂窝夹芯结构中,都有这一特点。由于粘接用的这种胶耐低温性能较差,低温下发生了冷脆。温度越低,强度下降,表现为整个蜂窝结构的平面强度下降。为了证实这点,对使用的粘接剂进行了
低温强度测试。随温度下降,胶接剂的强度下降,证实了上述分析。平面拉伸试样的拉伸模量主要取决于铝箔蜂窝芯子的材料和结构,因为它们的变形直接明显的影响模量数值。随温度下降,变化规律完全符合一般材料变化规律即分子内聚力增加、硬度上升、弹性减少、弹性模量增加。
对于剪切试样来说,剪切力沿试样的W 或L 方向,很显然,受力的主要环节在蜂窝芯子,
3
4第4期蜂窝夹层结构的低温力学性能
其抗剪力很小,只要蜂窝芯子变形失稳,试样就认为被破坏了。因此,铝箔蜂窝芯子的行为代表了试样剪切的行为。压缩试样也是如此,铝箔蜂窝芯子的受压行为与试样的受压行为相似。所以,压缩、剪切强度、模量随温度下降而增加
。
图4 压缩强度
、模量与温度关系曲线
3 其它外界环境的影响
为了进一步研究其它外界环境对蜂窝夹芯结构力学性能的影响,我们做了大量的试验,其
中包括对这些材料进行冷热循环、Co 60
粒子辐照、紫外线辐照等,对其力学性能变化进行了测试、比较。结果见下表1～表3。
表1 蜂窝夹芯结构296K 力学性能
力学性能常 规
冷热循环
(18次)153～353K
Co 60辐照
103Gy (Si )Co 60辐照105Gy (Si )紫外线辐照6000J c m 2
备 注拉伸强度 M Pa 1154611212018600172501616平均值
拉伸模量 M Pa 2415825194241782514723180平均值剪切强度 M Pa 0128101241012840128601289平均值剪切模量 M Pa 6109151741611256124151896平均值压缩强度 M Pa 0160201595015900160001596平均值压缩模量 M Pa
26161
27158
27102
26149
23182
平均值
表2 蜂窝夹芯结构213K 力学性能
力学性能常 规
冷热循环
(18次)153～353K
Co 60辐照
103Gy (Si )Co 60辐照105Gy (Si )紫外线辐照6000J c m 2
备 注拉伸强度 M Pa 1132601919016940157101562平均值拉伸模量 M Pa 2811928141281612716528110平均值剪切强度 M Pa 0136801346013510134201349平均值
剪切模量 M Pa 8106781090719438150181045平均值压缩强度 M Pa 0172901716017320171901714平均值压缩模量 M Pa
29126
30121
30103
30126
28109
平均值
4
4低 温 工 程1998年
表3 蜂窝夹芯结构153K 力学性能
力学性能常规
冷热循环
(18次)153～353K
Co 60 辐照
103Gy (Si )Co 60 辐照105Gy (Si )紫外线辐照6000J c m 2
备 注拉伸强度 M Pa 1110601742016020154301523平均值
拉伸模量 M Pa 3416533124331933413734188平均值剪切强度 M Pa 0142001417014280142401416平均值剪切模量 M Pa 9126591517916379149891415平均值压缩强度 M Pa 0183301823018220183101828平均值压缩模量 M Pa
32183
31181
30164
30193
34188
平均值
从表中可以看出,对力学性能影响较大的是紫外线辐照和粒子辐照,主要原因是因为,蜂窝夹芯结构的胶粘剂是有机材料,对辐照较敏感,相对较大剂量的辐照使有机材料发生了分子断链,使拉伸强度下降,而同一剂量的辐照对金属材料即铝箔蜂窝芯子影响较小,对于铝箔蜂窝芯子起主要作用的力学性能就影响小些4 蜂窝夹芯结构低温力学性能的估算
关于蜂窝夹芯结构力学性能的估算,有关学者已做了大量研究[1,2],但由于蜂窝夹芯结构的不规则性和计算模型的一些假设和近似,纯粹的数学计算其结果偏差较大。经计算,偏差可大过一二个数量级。通过试验发现,为了满足设计需求,减少计算偏差,可以采用大量经验公式。根据上述分析,可以采用以下一些方法来估算蜂窝夹芯结构的低温力学性能。411 低温平面拉伸强度的估算
如前所述,平面拉伸性能主要取决于蜂窝夹芯结构胶粘剂的拉伸强度。在我们的试验中发现,胶粘剂的拉伸强度与蜂窝夹芯结构的拉伸强度存在一个线性关系即相差一个常数,且在低温下基本不变,即
Ρ=
Ρ1
C
(1)
式中 Ρ——蜂窝夹芯结构的低温拉伸强度,M Pa ;
Ρ1——胶粘剂的低温拉伸强度,M Pa ;
C ——常数,由常温数据确定。
只要测出或知道胶粘剂的常温、低温拉伸强度,测出蜂窝夹芯结构的常温拉伸强度,就可计算出常数,从而推算出蜂窝夹芯结构的低温拉伸强度。表4是一个计算实例,计算结构与测试数据较吻合。
表4 计算实例
温度 K
测出的胶粘剂拉伸
强度 M Pa
测出的夹芯结构拉
伸强度 M Pa
计算的夹芯结构拉
伸强度 M Pa
偏差 %备注29636.671.546常数为23.7
21331.171.3261.315-0.8153
26.44
1.106
1.116
+0.9
412 其它力学性能的估算
蜂窝夹芯结构的其它力学性能,大多与蜂窝芯有关,蜂窝芯的强度、模量直接影响蜂窝
5
4第4期蜂窝夹层结构的低温力学性能
64低 温 工 程1998年
结构的平面拉伸模量、平面压缩强度、模量和剪切强度、模量。由于试样破坏以蜂窝芯子失稳或破坏为限,所以蜂窝芯子的力学性能不仅受材料性能影响也受蜂窝尺寸的影响。在低温下,还要受低温收缩的影响。如果按常温计算公式(1),仅靠蜂窝芯的性能变化来推算低温性能则会带来较大偏差。因此,其它低温力学性能的推算,尚待进一步研究。
5 结论
(1)在试样破坏时蜂窝芯子首先失稳、破坏的前题下,蜂窝夹芯结构的低温平面拉伸强度主要取决于胶粘剂拉伸强度,其它力学性能主要取决于蜂窝芯子的低温力学行为和胶粘剂、结构尺寸及低温收缩等复杂因素;
(2)诸多外界环境对蜂窝夹芯结构力学性能的影响中,除温度影响外,以粒子辐照和紫外辐照影响最大;
(3)已知胶粘剂的常温和低温拉伸强度,只要测出蜂窝结构常温拉伸强度,确定出常数,即可推算出蜂窝结构的低温拉伸强度。
参考文献
1 尹祥址.蜂窝夹芯结构的设计与工艺.长沙:中国人民解放军国防科技大学出版社,1982
2 Structural sandw ich compo sites,M I L HDBK23A,1968
3 M echanical P roperties and T est M ethods,《TBS120M echanical P roperties of H EXCEL Honeycom b M aterials》,H EX2 CEL Co rpo rati on,1992,7～9
M ECHAN I CAL PROPERT IES OF HONEYCOM B
SANDW I CH STRUCTURE AT LOW TE M PERATURE
Zhang J ianke J i Youngfu L i Zh ihua
(L anzhou Institute of Physics,L anzhou730000)
ABSTRACT T he m echan ical p rop erties of a k ind of honeycom b sandw ich structu re under effects of low tem p eratu re,p article radiati on,u ltravi o let ray and ho t co ld cycles etc.,such as stretch,com p ress and shear,have been m easu red and researched.O n the basis of a lo t of exp eri m en t data,the m ain facto rs and regu larity effecting the m echan ical p rop erties at low tem p eratu re have been found.T he m athem atic m odel and calcu lating fo rm u las po ssessing general sign ificance have been bu ilt and the m echan ical p rop erties of honeycom b sandw ich structu re at low tem p eratu re can be calcu lated by know n p aram eters o r room tem p eratu re p a2 ram eters.T he m odel and fo rm u las are very i m po rtan t fo r gu iding the design of the m echan i2 cal p rop erties of honeycom b sandw ich structu re at low tem p eratu re.
KEYWORD S honeycom b sandw ich structu re;m echan ical p rop erties at low tem p eratu re;
calcu lated fo rm u las
蜂窝夹层结构的低温力学性能
1998年第4期低 温 工 程 N o . 4 1998 总第104期 CR YO GEN I CS Sum N o .104 于1998年3月9日收到。张建可,男,44岁,副研究员。 蜂窝夹层结构的低温力学性能 张建可 冀勇夫 李智华 (兰州物理研究所 兰州 730000) 摘要 以选定的一种蜂窝夹层结构为例,对其低温力学性能即拉伸、压缩、剪切等进行了各种外界环境包括温度、粒子辐照、紫外辐照、冷热循环等影响前后的性能测试和研究。在大量试验的基础上,通过理论分析,找出了影响其低温力学性能的主要因素和变化规律,建立了用已知参数或常温参数推算蜂窝夹层结构低温力学性能的数学模型和计算公式。该模型的建立对于蜂窝夹层结构低温力学性能的设计具有较重要的指导意义。 主题词 蜂窝夹层结构 低温力学性能 计算公式 1 前言 蜂窝夹层结构具有重量轻、强度高、刚性好等特点,通过改变夹层结构材料、结构尺寸、结构工艺可广泛用于宇航、航空等工程领域。在常温下,其力学性能及变化规律和影响因素已进行了广泛的研究和讨论[1,2],但对于使用在低温及其它特殊环境下的力学性能及变化规律研究较少。本文以一种碳纤维网状单层面板铝蜂窝夹芯结构为特例,对其低温力学性能进行测试研究。由于蜂窝夹芯结构种类繁多,性能受工艺、结构、材料影响较大,加上试验条件有限,只能从中找出一些具有普遍意义的规律性东西,供研究参考。 我们研究的试样结构及试样方向示意图,见图1。试样两面是M 40碳纤维和环氧648复合的单向排布层板组成的正交网格,网孔尺寸为3mm ×3mm ,面板厚度约为012mm 。蜂窝芯是美国H EXCEL 公司生产的,采用了5056铝合金,铝箔厚度为010178mm ,孔尺寸为 91525mm ,蜂窝等效密度为16kg m 3 。 2 测试结果与试样分析 试样均采用通常的试验方法[3],试样为60mm ×60mm ×25mm 的正方形,其力学性能
(完整word版)飞机夹层结构复合材料零部件的损伤形式及修理方法
常见飞机蜂窝板损伤形式及修理方法 航空器复合材料中的蜂窝板是由薄而强的两层面板中间胶接蜂窝材料而成的一种新型复合材料，也称蜂窝层合结构(见图1)。其面板选材有金属板、玻璃纤维、石英纤维、碳纤维等；夹心材料主要有芳纶、玻璃纤维、铝合金及发泡型结构。蜂窝可制成不同的形状。飞机上的蜂窝结构是由耐腐蚀夹心、面板、衬垫、隔板（假梁）、边肋等零件胶合而成。面板与夹芯之间用胶膜胶接，蜂窝夹芯用芯子胶和耐腐蚀胶根据实际需要形状施加真空压力后加温胶接成型。 图1 蜂窝夹心板结构 一、航空复合材料蜂窝结构损伤种类 根据航空复合材料蜂窝结构部件在使用过程中可能出现损伤的情况，我们可以大致将胶接蜂窝结构部件的损伤分以下5类： 1、表面损伤 图2 典型表面凹坑 此类损伤一般通过目视检查发现，包括表面擦伤、划伤、局部轻微腐蚀、表面蒙皮裂纹、表面小凹坑和局部轻微压陷等。这类损伤一般对结构强度不产生明显的削弱。 2、脱胶及分层损伤
该损伤是指纤维层与层之间或面板与夹芯之间的树脂失效缺陷，主要通过敲击检查、超声波检测等手段发现。此类损伤一般不引起结构外观变化，大多是在生产过程中造成的初始缺陷，并在反复使用过程中缺陷不断扩展而导致的。脱胶或分层面积过大会引起整体复合材料强度的削弱，应及时予以修补。 3、单侧面板损伤 这类损伤包括单侧面板局部压陷、破裂或穿孔，一般通过目视检查即可发现。该类型损伤能使一侧面板和蜂窝夹芯都受到损伤（表面塌陷），对气动性能和结构强度影响较大。一旦发现该类损伤必须经过修理和检验确认后方能能重新使用。 4、穿透损伤 该类型损伤是指蜂窝部件出现穿透性损伤、严重压陷和较大范围的残缺损伤等。此类损伤对结构性能和强度有严重的影响，根据受损情况立即予以修理或按需更换新件。 5、内部积水 该损伤原因主要由于蜂窝结构边缘或蜂窝材料对接边缘密封不严或密封失效，在长期使用过程中由于雨水渗透、油液浸泡以及水汽冷凝而造成蜂窝夹芯出现积水。虽然一般情况蜂窝内部积水不会造成严重影响；但在冬季日夜气温变化较大的情况下，由于积液结冰膨胀将会会造成复合材料部件内部树脂基体脱胶；同时在积液的长期浸泡下也会使复合材料的树脂基体的胶接强度大幅降低而降低部件的整体性能；特别是各类复合材料制备的舵面、襟翼、翼身整流罩及发动机部件等，均应及时检查其内部蜂窝结构的积水情况并作出相应修理措施。目前该类损伤主要通过红外热成像、X-射线检测仪等手段进行检测。 二、蜂窝结构的检查方式 1、目视检查 目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。主要借助放大镜和内窥镜观测结构表面和内部可达区域的表面，观察明显的结构变形、变色、断裂、螺钉松动等结构异常。它可以检查表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕等缺陷；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷和定位，如夹杂、气泡、搭接的部位和宽度、蜂窝芯的位置和状态、镶嵌件的位置等。 2、手锤敲击法 用于单层蒙皮蜂窝结构。用手锤敲击蜂窝结构的蒙皮，根据不同的声响来判断蜂窝结构是否脱胶。敲击时，注意锤头与蒙皮垂直，力度适当，以能判断故障不损坏蒙皮表面为宜。为使判断准确，可先在试件上试验。敲击回声清脆是良好，沉闷是脱粘。 3、外场在位检测的便携式相控阵超声波C扫描检测系统
(重)常见材料的力学性能
附录常用材料的力学及其它物理性能 一、玻璃的强度设计值 f g(MPa) JGJ102-2003表5.2.1 二、铝合金型材的强度设计值 (MPa) GB50429-2007表4.3.4 三、钢材的强度设计值(1-热轧钢材) f s(MPa) JGJ102-2003表5.2.3 四、钢材的强度设计值(2-冷弯薄壁型钢) f s(MPa) 五、材料的弹性模量E(MPa) JGJ102-2003表5.2.8、JGJ133-2001表5.3.9
六、 材料的泊松比υ JGJ102-2003表5.2.9、JGJ133-2001表5.3.10、GB50429-2007表4.3.7 七、 材料的膨胀系数α(1/℃) JGJ102-2003表5.2.10、JGJ133-2001表5.3.11、GB50429-2007表4.3.7 八、 材料的重力密度γg (KN/m ) JGJ102-2003表5.3.1、GB50429-2007表4.3.7 九、 板材单位面积重力标准值（MPa ） JGJ133-2001表5.2.2 十、 螺栓连接的强度设计值一(MPa) JGJ102-2003表B.0.1-1
十一、螺栓连接的强度设计值二(MPa) 十二、焊缝的强度设计值(MPa) JGJ102-2003表B.0.1-3
十三、不锈钢螺栓连接的强度设计值(MPa) JGJ102-2003表B.0.3 十四、楼层弹性层间位移角限值 GB/T21086-2007表20 十五、部分单层铝合板强度设计值（MPa）JGJ133-2001表5.3.2
十六、铝塑复合板强度设计值（MPa） JGJ133-2001表5.3.3 十七、蜂窝铝板强度设计值（MPa） JGJ133-2001表5.3.4 十八、不锈钢板强度设计值（MPa） 附录常用材料的力学及其它物理性能十九、玻璃的强度设计值 f g(N/mm2) 二十、铝合金型材的强度设计值 f a(N/mm2)
夹层设计
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。一般面板采用强度和刚度比较高的材料，芯子采用密度比较小的材料，如蜂窝芯、泡沫芯和波纹板芯等（如图10.4.1所示）。夹层结构具有质量轻、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，因此在飞行器结构上得到了广泛应用。对结构高度大的翼面结构，蒙皮壁板（尤其是上翼面壁板）采用蜂窝夹层结构取代加筋板，能明显减轻质量；对于结构高度小的翼面结构，如操纵面，采用全高度夹层结构代替梁肋式结构，能带来明显的减重效果。以复合材料层合板为面板的夹层结构，由于材料的相容性，目前普遍采用Nomex 蜂窝芯子。 图10.4.1 蜂窝夹层结构示图 10.4.1 夹层结构的破坏模式与设计准则 （1）夹层结构破坏模式 夹层结构各种破坏模式如表10.4.1所示。实际上，结构破坏时几种破坏模式可能同时存在。此外，夹层结构对低能量冲击和湿热环境敏感，且修补较困难。设计时，要对各种可能破坏模式进行强度计算，还要进行防潮密封等设计。 （2）夹层结构设计准则 夹层结构设计，必须使其在设计载荷作用下满足强度和刚度要求，即: 1) 在设计载荷下，面板的面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。 对于复合材料面板：设计外加载荷=设计载荷 。其中， n 是安全系数，是考虑附加湿热影响的载荷放大系数，。 2) 芯子应有足够的厚度（高度）及刚度，以保证在“设计外加载荷”下，夹层板不发生总体失稳、剪切破坏以及过大的挠度，并保证不发生胶接面剪切破坏。 3) 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，以保证在“设计外加载荷”下，面板不发生起皱失稳。 4) 面板应足够厚，蜂窝芯格尺寸应合理，以防止在“设计外加载荷”下发生芯格壁失稳及面板发生格间塌陷（即格内面板失稳）。 5) 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，以防止局部芯子压塌或镶嵌件拉脱。当集中载荷不可避免时，应采取措施，将载荷分散到其他承力构件上去。 6) 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。 7) 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。（通常用一层玻璃纤维布将两m n f ??m f 15.1~06.1=m f
蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展
收稿日期:2013-02-05 基金项目:航空自然科学基金资助(2010ZF56025) 作者简介:刘杰,1985年出生,硕士,助理工程师,主要从事芳纶纸蜂窝的生产与研制,E -mail:dnaliujie@https://www.360docs.net/doc/341795994.html, 蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展 刘一杰1一一郝一巍1一一孟江燕2 (1一北京航空材料研究院,北京一100095) (2一南昌航空大学材料科学与工程学院,南昌一330063) 文一摘一综述了有关铝蜂窝芯二芳纶纸蜂窝芯及其复合材料在制造工艺上的研究成果;蜂窝夹层结构复合材料在隔音二隔热二耐老化二冲击性能等方面的最新研究进展,并对蜂窝夹层结构复合材料的研究方向提出了几点建议三 关键词一铝蜂窝,芳纶纸蜂窝,复合材料,力学性能 Progress in Applied Research of Honeycomb Sandwich Composites Liu Jie 1一一Hao Wei 1一一Meng Jiangyan 2 (1一Beijing Institute of Aeronautical Materials ,Beijing一100095) (2一School of Material Science and Engineering ,Nanchang Hangkong University ,Nanchang一330063) Abstract 一In this paper ,the manufacturing processof the aluminum honeycomb core ,Nomex honeycomb core and composite materials have been reviewed.Furthermore ,the latest research progress of the honeycomb sandwich composites sound insulation ,heat insulation ,anti-aging ,impact properties and other aspects has been overviewed.And some suggestions of research directions of honeycomb sandwich composites are presented.Key words 一Aluminum honeycomb ,Nomex honeycomb ,Composites ,Mechanical property 0一引言 蜂窝夹层结构复合材料因其具有比强度高二抗冲 击性能好二减振二透微波二可设计性强[1-2]等优点,目前已经被广泛应用,特别是航空航天领域,蜂窝夹层结构以其优越的性能成为该领域不可缺少的结构材料之一三早期的蜂窝夹层结构复合材料芯材大多数为金属芯材,随后出现了纸蜂窝夹层结构复合材料以及纤维增强树脂蜂窝等蜂窝芯材三 目前的蜂窝夹层结构复合材料主要分为铝蜂窝夹层结构复合材料二Nomex 纸蜂窝夹层结构复合材料二玻璃钢夹层结构复合材料二棉布蜂窝夹层结构复合材料等[3],其中玻璃钢夹层结构复合材料已得到广泛的研究和应用,研究人员对于玻璃钢夹层结构复合材料的力学二隔音二隔热二抗冲击性能的研究都比较深入[4-6]三蜂窝夹层结构复合材料的性能主要由蒙皮和蜂窝芯材料的性能所决定[7],这些性能主要包括蒙皮的厚度与材质,蜂窝芯材的高度二材质二密度二 孔格大小以及形状等[8]三近些年,研究人员围绕蜂窝夹层结构复合材料做了大量研究并取得了一定成 果,本文对此作以简介三 1一铝蜂窝夹层结构 铝蜂窝芯材主要由铝箔以不同的胶接方式胶接,通过拉伸而制成不同规格的蜂窝,芯材的性能主要通过铝箔的厚度和孔格大小来控制,再将铝蜂窝芯材和不同的蒙皮材料复合,形成铝蜂窝夹层结构复合材料三铝蜂窝夹层结构复合材料具有较高的力学性能,其芯材铝蜂窝的制造成本也相对较低三但铝蜂窝夹层结构复合材料在某些环境中使用时易腐蚀,在受到冲击后,铝蜂窝芯材会发生永久变形,使蜂窝芯材与蒙皮发生分离[9-10],导致材料的性能降低三 部分研究者从胶接工艺对铝蜂窝夹层结构复合 材料进行了研究三张京等[11]从胶黏剂筛选二表面处理方法和固化工艺三个方面对铝蜂窝夹层结构的胶接工艺进行了研究三选择了流动性较好的J -47胶膜;在对表面处理方式的研究中采用磷酸阳极化处理;通过对剪切强度的对比确定了夹层结构的最佳固化工艺三铝蜂窝夹层结构的大面积粘接成型一直是夹层结构批量生产的难题,为此,韦生文[12]对铝蜂窝
基于SolidWorks正方形蜂窝结构面内力学性能有限元分析
摘要：随着社会经济的发展,蜂窝纸板包装在我们生活中越来越受到人们重视,蜂窝纸包装逐渐渗透入人们的生活。本文主要探讨正方形蜂窝纸板结构的有限元建模方法,并利用SolidWorks软件模拟分析这种结构的性能。主要研究成果如下：（1）建立厚度为20mm蜂窝窝芯为正方形结构的蜂窝纸板，并用SolidWorks 自带的SolidWorks Simulation 插件对蜂窝纸板进行静态模拟分析及跌落模拟试验。从应力曲线上可以看出正方形蜂窝纸板的结构面内力学性能。 （2）在材质相同的情况下，分别对高度为10mm和20mm的正方形蜂窝纸板进行同等条件下的静态分析，我们可以发现高度越高的蜂窝纸板受到的应力越大。 （3）从两次静态模拟仿真试验及两次动态模拟仿真试验中 得到的应力曲线上我们可以分析出，正方形蜂窝纸板受力时的凹凸面比平整面更具缓冲性能。 关键词：正方形；蜂窝纸板；应力；Simulation； The finite element analysis of mechanical properties within the square honeycomb's structure surface based on SolidWorks Student’ s name: Junjie Yu Advisor: Guobin Jin （School of Light Industry Zhejiang University of Science and Technology） I
Abstract: With the development of social economy, honeycomb cardboard packaging has gained greater attention in our daily life. And the honeycomb paper packing has gradually permeated into people's life. This paper mainly discusses the finite element modeling method of square honeycomb paperboard structure, using SolidWorks to simulate and analyze the performance of the structure. And the main research results are as follows: Firstly, after the establish of a three-dimensional model of square honeycomb with a thickness of 20mm cellular core, proceed to the static simulation analysis using the plug-in of SolidWorks Simulation. From the point of stress curve, the in-plane mechanical properties of the square honeycomb can be seen. Secondly, under the same condition of material, conducting static analysis on the height of 10mm and 20mm respectively of square honeycomb cardboard, we can find that the higher of the honeycomb cardboard, the greater the stress it gets. Thirdly, the conclusion we can draw from the stress curve , through the analysis of the two static simulation experiments and the two dynamic simulation ones, is that the concave and convex surface of the honeycomb board has better cushioning performance than the flat surface. Keywords：square; honeycomb paperboard; stress; simulation; 目录 中文摘要........................................................... I 英文摘要.......................................................... II 目录............................................................. III 1 绪论. (1) 1.1选题的背景依据及蜂窝纸板的研究 (1) 1.1.1 选题背景 (1) II
航天器蜂窝夹层结构复合材料热变形分析
航天器蜂窝夹层结构复合材料热变形分析 航天返回与遥感 sPACECRAjRECO,,】隅Y&R]lIESENSG 第28卷第3期 2O07年9月 航天器蜂窝夹层结构复合材料热变形分析 方宝东张建刚申智春张文巧 (上海卫星工程研究所,上海200240) 摘要蜂窝夹层结构复合材料在航空,航天结构中已得到了广泛的应用.文章从热变形分析角度出 发,对蜂窝夹层结构复合材料的热变形分析问题提出了几点看法. 关键词蜂窝夹层结构复合材料热变形分析航天器TheThermalDeformationAnalysisofHoneycomb SandwichStructureCompositeMaterialsinSpacecraft FangBaodongJiangangShenZhichunZhangWenqiao (Sh~nskaInstitute0fSatelliteEngineering,Sh~nska2OO24O) AbstractThehoneycombsandwichstructurecompositematerialshavebroadapplicationfor spacecraftinthedo— mainofaeronauticsandaerospace.Fromtheaspectofthethermaldeformation,someviewpoi ntsaboutthermaldeforma—tionanalysisinthehoneycombsandwichstructurecompositematerialsareputforward. KeyWordsHoneycombsandwichstructureComix~itematerialsThermaldeformationanal ysisSpacecraft 1引言 蜂窝夹层结构复合材料具有质量轻,抗弯性能 好等特点,在航空,航天领域中有着广泛的应用【】J,
夹芯 复合材料夹心材料
【夹芯】夹芯材料简介 一、原理 自二十世纪四十年代低密度的夹芯材料就已用于复合材料，它可提高弯曲强度、降低重量。具有相同负荷能力的夹层结构要比实体层状结构轻好几倍。夹芯材料能够降低单位体积的成本、削弱噪音与震动、增加耐热、抗疲劳和防火性能等。夹芯材料的作用机理是将剪切力从表皮层传向内层，使两个表皮层在静态和动态载荷下都能保持稳定，并且吸收冲击能来提供抗破坏性能。 二、分类 用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有：硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。 ①硬质泡沫主要有聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚醚酰亚胺（PEI）和丙烯腈-苯乙烯（SAN或AS）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、发泡聚酯（PET）等。 ②蜂窝夹芯材料有玻璃布蜂窝、NOMEX蜂窝、棉布蜂窝、铝蜂窝等。蜂窝夹层结构的强度高，刚性好，但蜂窝为开孔结构，与上下面板的粘接面积小，粘接效果一般没有泡沫好。 ③轻木夹芯材料是一种天然产品，市场常见的轻木夹芯主要产自南美洲的种植园，由于气候原因，轻木在当地生长速度特别快，所以比普通木材轻很多，且其纤维具有良好的强度和韧性，特别适合用于复合材料夹层结构。 三、应用领域 夹芯材料的应用领域广阔，涉及能源、航空航天、船舶、交通运输、建筑等领域。 航空航天 飞机的主要部件，如机身，机翼和尾翼可采用PVC泡沫夹芯材料复合结构，同时使用丁二烯。在生产中不必进行高压高温处理。飞机的重量得以减轻。直升飞机最新一代复合螺旋桨叶采用密度较低、可耐大多数溶剂且可经受高压蒸煮温度和压力的PMI泡沫夹芯材料。它采用传统预浸工艺制造。这种新型复合螺旋桨
叶的寿命可达10000h/L，是先前金属桨叶寿命的十倍。今天超轻型竞赛飞机、飞机模型和现代"超级风车"的桨叶都使用了轻质木质夹芯材料。 船舶 常规的交联PVC泡沫己在船舶中广泛应用。瑞士海军的护卫舰使用了28、13.5、0.09m片状构造的丁二烯蜂窝夹芯材料。聚氨酯（PU）发泡夹芯材料也常用于船舶的建造。80kg/m3高密度泡沫可应用于承载部件如船舷等；80～120kg/m3的泡沫专门用作甲板和上部构造的芯材。硬质PU泡沫广泛用于水槽、绝缘板、结构性填料和充空填料。大型冷藏拖网鱼船很多是整体成型的夹芯构，用玻璃布制作内外蒙皮，夹芯材料的厚度为100mm。该类船具有轻质、高强、耐海水腐蚀、抗微生物附着以及吸收撞击能。很多游艇的船底、表面使用了标准的轻质木，以保证最大的剪切和挤压强度；船前部和甲板使用了密度较低的轻质木；隔壁面板室内地板和家具也使用了轻质木夹芯材料。 在多杂物（浮木等）漂浮的巴拿马运河中营运的快速渡轮，其抗破坏能力应是首先考虑的，其次是总重量轻以保证渡轮的速度。由于这些原因，一种线型PVC 泡沫芯材被选作船壳底材，另一类型的PVC泡沫芯材作船壳侧面材料和舷侧突出部。部件使用玻纤增强表皮层和真空袋膜工艺；甲板和船舱侧面使用横纹轻质木夹芯材料，其表面用交联环氧树脂/玻纤板材做舱房表皮层，以保证渡轮达到ABS标准。 交通运输 交联的PVC夹芯材料在铁路运输中得到广泛应用，并用于公共汽车和有轨电车及摩托车等。一级方程式赛车模仿自然蜂窝结构，使用空心六边形管相互作用增强原理制作芯材。赛车具有高的抗冲击强度和能量吸收能力。比赛用自行车也采用这种蜂窝结构芯材。法国制造的铁路冷藏车采用PVC泡沫夹芯材料提高隔热效果。其它夹芯材料用于运输车辆主要是利用它们的绝缘性，如聚异氰酸酯绝缘泡沫塑料等。 建筑 夹芯材料在建筑上的应用十分广泛。在内外墙上使用纤维板、胶合板等各种夹芯材料，使墙壁具有隔音、隔热、轻质、高强等优点。由于顶棚强度要求不太高，只要求重量轻、刚性好，有一定防火、保温性能，其次是美观和价格便宜，安装方便，因此通常采用各种纤维芯材和PE钙塑泡沫芯材等。其它夹芯材料用在建筑上主要是利用它们的绝缘性。
蜂窝夹层结构复合材料
1.1.夹层结构 一种复合构造的板、壳结构，它的两个表面由很薄的板材做成,中间夹以较轻的夹芯层。前者称为表板,要求强度高；后者称为夹层，要求重量轻。第二次世界大战时,为了充分利用木材资源,英国的“蚊式”轰炸机上就采用了全木质夹层结构。一般夹层结构用于机翼、尾翼、机身、箭体、箭头、减速板、发动机短舱、隔音装置、防火隔板等。与薄壁结构的薄蒙皮相比，夹层板的厚度大得多，抵抗失稳能力强，重量还可减小，而且表面光滑，气动外形良好。但它的制造工艺复杂，工艺质量又不易检验，所以应用受到限制。夹层结构表板的材料有铝合金、不锈钢、钛合金和各种复合材料。夹层材料有轻质木材、泡沫塑料等，也可用金属材料或复合材料制成波纹板夹层或蜂窝型夹层（见蜂窝结构）。夹层与表板一般用胶粘结在一起,也可用熔焊、焊接连接,形成整体。在总体受力分析中，认为上、下两表板只承受表板面内的拉、压力和剪切力,不能承受弯矩和扭矩,而中间夹层只承受垂直于夹层中面的切力。夹层结构与一般板壳结构受力分析的唯一差别在于挠度计算中除了考虑弯曲力矩产生的挠度外，还要考虑剪力的影响。夹层结构的两表板之间距离较大，所以夹层结构的弯曲刚度比一般板壳结构大得多，失稳临界应力显著提高。夹层结构自身不用铆钉,免除了钉孔引起的应力集中,提高了疲劳强度。夹层结构与相邻结构的连接较为复杂，夹层本身的局部接触强度较弱,又需承受连接的集中力,因此必须妥善进行接头设计。 1.1.类型、特点及应用 类型： 按面层分类：玻璃钢、金属、绝缘纸、胶合板、塑料板等 按芯层分类：泡沫夹层结构、波板夹层结构、蜂窝夹层结构等。特点：轻质夹芯 高强度面层
泡沫夹层结构的夹芯材料是泡沫塑料其质量轻、刚度大、保温隔热性能好。但是强度不高 蜂窝夹层结构的夹芯材料是蜂窝材料(玻璃布蜂窝、纸蜂窝、棉布蜂窝等) 特点：质量轻、强度大、刚度大 应用：构件尺寸较大、强度要求较高的部件。如图： 波板夹层结构 波板夹层结构的夹芯材料是波纹板(玻璃钢波纹板、纸基波纹板和棉布波纹板)。 特点：制作简单，节省材料，但不适用于曲面形状的制品，质量轻、刚度大。
铝蜂窝板资料
一、铝蜂窝板起源 科学家发现，蜜蜂所做的六角六面状窝是一个杰作，它以最少的材料消耗，构筑成极为坚固的蜂窝，其结构要比其他任何形状的结构更强有力。因为这种多墙面的排列和一系列连续的蜂窝形的网状结构，可以分散来自各方的外力，使得蜂窝结构对挤压力的抵抗，比任何圆形或正方形要高得多。科学家对蜂窝结构的研究，给人们的启迪是，即使非常纤薄的材料，只要把它制成蜂窝形状，就能够承受很大的压力。正是收到蜂巢的启发，铝蜂窝板蜂窝结构材料才开始面世。 二、铝蜂窝板简介 铝蜂窝板是结合航空工业复合蜂窝板技术而开发的金属复合板产品系列。该产品采用“蜂窝式夹层”结构，即以表面涂覆耐候性极佳的装饰涂层之高强度合金铝板作为面、底板与铝蜂窝芯经高温高压复合制造而成的复合板材。铝蜂窝板产品系列具有选材精良、工艺先进和构造合理的优势，不仅在大尺度、平整度有出色的表现，而且在形状、表面处理、色彩、安装系统等方面有众多的选择。此外，面板除采用铝合金外，还可根据客户需求选择其它材质，例如：铜、锌、不锈钢、纯钛、玻璃纤维、防火板等。 三、铝蜂窝板构造 采用高强度合金铝板作为面板与底板，中间用航空粘合剂内粘六角铝箔蜂窝芯，经热压复合成型并在铝板表面施加装饰性或防腐蚀性涂层的一种高档三层全铝结构装饰板材。 四、铝蜂窝板特点 - 板材平整度高 - 安装方便快捷 - 板材重量轻、强度高 - 可实现大块面的板材 - 蜂窝状芯材有助于空间的保温效果 - 丰富的颜色和表面处理可供选择 - 出色的定制化加工能力，满足客户的个性化需求 - 高质量材质和先进加工工艺，确保产品经久耐用 - 各种安装系统适用不同方案，且便于安装和日常维护 五、铝蜂窝板产品用途 （1）建筑幕墙外墙挂板（2）室内装饰工程（3）广告牌（4）船上建筑（5）航空制造业（6）室内隔断及商品展示台（7）商用运输车和货柜车车体（8）公共汽车、火车、地铁及轨道交通车辆（9）对环保要求很严的现代家具行业来说，用铝蜂窝板来做家具的加工材料，是新世纪一种很好的材料选择，其完全无毒的绿色品质，让家具商在加工家具时，少了不必要的环保程序；另外,铝蜂窝板面板可多样化如实木，铝板，
复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用
复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用 摘要：蜂窝夹层结构复合材料的应用越来越广泛，特别是在一些特殊领域，尤 其是在飞机制造中，蜂窝夹层结构复合材料已逐渐覆盖了飞机的整个机身结构， 事实证明，蜂窝夹层结构对飞机的使用有着非常明显的帮助。本文介绍了蜂窝夹 层结构的典型蜂窝几何结构、面板、蜂窝芯材类型和性能，阐述了蜂窝夹层结构 在国外、国内飞机上的应用，并结合蜂窝夹层结构应用的一些细节论述了相应的 设计方法。 关键词：复合材料；蜂窝夹层结构；飞机 飞机结构设计的基本原则是在满足强度要求的前提下，使结构尽可能轻，这 一要求将不可避免地导致需使用稳定的薄蒙皮来承受拉伸、压缩载荷，以及剪切、扭转、弯曲载荷的耦合作用。在传统的飞机结构设计中，采用纵向加强件、增稳 桁条、翼肋、隔框等结构对蒙皮进行加固，不可避免地导致结构增重问题。夹层 结构是提高结构比刚度的有效结构形式之一，复合材料夹层结构具有重量轻、强 度刚度好、耐热、吸声隔音、抗冲击、抗疲劳等特点，广泛应用于航空航天、汽车、通信、轨道车辆、造船、医疗器械、体育器材、土木工程等领域。 一、复合材料蜂窝夹层结构 复合材料夹层结构由两个薄面板和中间夹芯层组成，芯层和面板一般用胶粘 接在一起，或用熔焊或焊接成一个整体。 夹层结构的荷载传递方式与工字梁相似，上下面板主要承受由弯矩引起的面 内拉压应力及面内剪应力，而芯材主要承受横向力产生的剪应力，上下面板间的 距离增加了截面的惯性矩，提高了结构的抗弯刚度和材料的有效利用率与结构效率。 复合材料蜂窝夹层结构的强度与蜂窝几何形状及蜂窝芯材有关。根据蜂窝的 几何形状，蜂窝芯层分为标准六角形芯、矩形过膨胀芯、强化波纹芯、方格芯、 特殊夹芯等。其中增强正六边形的强度最高，其次是正六边形蜂窝，因其制作简单，材料消耗低，强度高，因而应用最广。 复合夹层结构的面板材料包括铝合金、钛合金、不锈钢、玻璃钢等复合材料，目前在航空结构中应用较多的是碳纤维单向带或织物增强复合材料。芯材有金属 或非金属蜂窝、泡沫塑料等。金属蜂窝芯层主要为铝蜂窝，非金属蜂窝芯层主要 有诺梅克斯纸蜂窝、玻璃布蜂窝、碳纤维蜂窝等，其中，铝蜂窝或诺梅克斯纸蜂 窝具有压缩模量高、质量轻的优点，成为飞机结构中广泛应用的夹芯材料。 铝蜂窝夹芯结构一般在大剪切载荷下使用，面板通常由金属板材制成。由于 铝蜂窝与碳纤维面板一起使用，铝蜂窝与复合材料面板胶接时难以配合，此外， 由于两种材料的热膨胀系数相差较大而引起的固化变形也很明显，若对两种材料 间的电绝缘处理不当，易发生电化学腐蚀。 诺梅克斯纸蜂窝强度略低于铝蜂窝，但其具有良好的韧性及抗损伤性，质量轻、抗压强度高、抗剪强度和疲劳强度好，具有各向异性特点，抗弯刚度/质量比及抗弯强度/质量比大；吸声、隔声、隔热性能好，易于协调复合材料黏接及组装，无腐蚀问题，还能满足FST(烟雾毒性)等要求，具有比铝蜂窝更少的局部不稳定问题。诺梅克斯纸蜂窝夹芯通常与碳/玻璃纤维预浸料一起使用，由于其丰富的应用经验和适中的成本，在航空领域得到了广泛的应用。 二、蜂窝夹层结构复合材料的基本特性 1、质量轻，比强度高，尤其是抗弯刚度高，同等质量的蜂窝夹层结构复合材
中_高密度Nomex蜂窝力学性能研究
第22卷 第2期 2002年6月航 空 材 料 学 报 JOU RN AL O F AERONA U T ICAL M AT ERIA LS V ol.22,No.2 June 2002 中、高密度Nomex 蜂窝力学性能研究 郝 巍,李 勇,罗玉清 (北京航空材料研究院,北京100095) 摘要:研究了航空用三种中、高密度Nomex 蜂窝的力学性能,并讨论了纸的厚度、浸渍溶液浓度、环境湿度和渗透剂对Nomex 蜂窝力学性能的影响。结果表明,选择厚度合适的N omex 纸,严格控制湿度,并在浓度为35%~50%范围内浸渍胶液中加入适量的渗透剂可以制作出与国外同类产品性能相当的高性能中、高密度Nomex 蜂窝。 关键词:中、高密度;力学性能;Nomex 蜂窝 中图分类号:T B383 文献标识码:A 文章编号:1005 5053(2002)02 0041 05 Nomex 蜂窝具有密度低,比强度、比刚度高,抗冲击,耐腐蚀性,阻燃且具有回弹性,可吸收振 动能量,良好的高温稳定性和介电性能等优点,是飞机夹层结构件首选芯材。密度小于48kg m 3 的蜂窝属于低密度蜂窝,这类蜂窝在亚音速飞机上具有广阔的使用前景,民机、直升机等普遍采用这 类蜂窝。密度48~80kg m 3 的蜂窝称为中、高密度蜂窝,因具有较高强度及刚度,广泛应用于某些有特殊力学性能要求的部位,如歼击机的平尾、鸭翼及方向舵等。因为中、高密度蜂窝密度较大,制造工艺相对复杂,需要多次浸胶,所以密度公差控制相对困难得多。另外,由于用纸相对较厚,环境湿度对蜂窝最终力学性能也有较大影响。因此,选择合适原材料,确定最佳工艺参数和环境条件是研制高性能中、高密度Nom ex 蜂窝的三个关键。本研究针对某型飞机机尾的受力部件用No mex 蜂窝的具体要求,研制了NH 1 3 48,NH 1 3 64和NH 1 3 80三种规格中、高密度蜂窝,并 重点研究了上述三个因素对力学性能的影响。 1 试 验 1.1 主要原材料 Nomex 纸,T 412,Dopont 公司产品,技术标准HB5435 89。芯条胶,SY 13环氧体系,北京航空材料研究院产品,技术标准Q 6S315 82。酚醛 清漆,F01 36,灯塔油漆有限公司产品,技术标准HG2 574 85。 1.2 工艺试验 采用图1所示工艺路线制作出三种规格中、高密度Nomex 蜂窝:NH 1 3 48,NH 1 3 64和NH 1 3 80。 1.3 试验方法 按GB1453进行Nomex 蜂窝芯材平面压缩试验,设备为万能力学试验机。按GB1455进行Nomex 蜂窝芯材平面剪切试验,设备为万能力学 图1 工艺路线图F ig.1 Pro cess flow diagr am 收稿日期:2001 10 05;修订日期:2002 01 21作者简介:郝巍(1968 ),男,工程师。 试验机。按GB1464进行Nomex 蜂窝芯材密度 测试,仪器为电子天平。根据GJB1874 94进行Nomex 蜂窝芯材外观检验。采用扫描电镜进行
路面结构力学设计参数取值
沥青路面车辆参数参考表 -------------------------------------------------------------------------------- 单后轴货车（车型大类编码 01） -------------------------------------------------------------------------------- 车型序号车型名称前轴重(kN) 后轴重(kN) 后轴数后轴轮组数后轴距(m) -------------------------------------------------------------------------------- 01 标准轴载BZZ-100 00.00 100.00 1 2 0 02 北京BJ130 13.55 27.20 1 2 0 03 成都CD130 13.60 27.20 1 2 0 04 金杯SY132 12.80 27.60 1 2 0 05 金杯SY450 11.80 28.00 1 2 0 06 菲亚特50NC-A 21.80 35.00 1 2 0 07 跃进NJ131 20.20 38.20 1 2 0 08 江淮HF140A 18.90 41.80 1 2 0 09 跃进NJ134A 13.30 43.10 1 2 0 10 奔驰LPK709 22.00 44.00 1 2 0 11 五十铃NPR595G 23.50 44.00 1 2 0 12 切贝尔D350 24.00 48.00 1 2 0 13 三菱T653B 29.30 48.00 1 2 0 14 喀什布阡131 18.00 50.25 1 2 0 15 三菱FR415 30.00 51.00 1 2 0 16 切贝尔D420 28.20 54.80 1 2 0 17 交通SH141 25.55 55.10 1 2 0 18 五十铃FSR113N 36.00 55.50 1 2 0 19 依维柯7913 29.00 56.50 1 2 0 20 解放CA340 22.10 56.60 1 2 0 21 雷诺JN75 30.50 58.50 1 2 0 22 吉尔130 25.75 59.50 1 2 0 23 解放CA10B 19.40 60.85 1 2 0 24 解放DD341 21.80 61.00 1 2 0 25 扶桑T653ZD 31.00 63.00 1 2 0 26 东风LZ341 29.50 64.50 1 2 0 27 东风LZ340 27.00 64.60 1 2 0 28 奔驰LPK913 27.00 66.00 1 2 0 29 解放SP3101 26.00 67.10 1 2 0 30 东风KM340 24.60 67.80 1 2 0 31 布切奇5BR2N 24.55 67.95 1 2 0 32 东风SP3090 24.50 68.00 1 2 0 33 东风DD347 24.00 68.10 1 2 0 34 解放DD349 26.00 68.20 1 2 0 35 解放CA50 28.70 68.20 1 2 0 36 东风AS141DL 25.00 68.30 1 2 0
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。而面层的强度和刚度都远大于夹芯材料，对于夹层结构设计人员来说，如何能够使这两种力学性能大相径庭的材料完美的结合在一起，充分发挥各自的优点，即满足使用要求，又不浪费材料？ 在夹层结构受弯情况下，夹层结构主要是靠芯材的剪切来传递直接施加在面层上的力，在复合材料夹层结构中，FRP面层的模量和强度都很高，只有高剪切强度和大剪切断裂延伸率的芯材才适用，如常用的PVC、PET、SAN、PEI、PMI等泡沫芯材。要根据夹层结构在使用中可能的受力状况，选用适当种类和密度的芯材，合理设计面层和芯材的厚度，按照前面介绍的应力计算方法，或用相关的有限元分析软件，进行反复的计算验证，最终达到较优的设计方案。 若选用剪切强度低，或是剪切断裂延伸率小的芯材，则芯材破坏时，面层可能只发挥了1%不到的强度，则会造成材料的浪费。
复合材料泡沫夹层结构的材料和应用
复合材料夹层结构芯材 夹层结构的最初应用从上世纪初的航空航天业开始，逐步发展到今天的船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域。德固赛（中国）投资有限公司上海分公司的胡培先生全面综述了各种芯材的特性、应用、市场分布及前景。
常用芯材及其应用 玻璃钢/复合材料中常用的芯材有泡沫、巴萨木和蜂窝等多孔固体材料。 巴萨木目前主要的用途集中在风电、船舶、铁路车辆等行业。相对而言，因为其密度选择范围小，面层破坏以后，吸水腐烂的缺点，已经逐步被PVC泡沫取代。但是因为其价格优势，目前还有一定的市场。 蜂窝主要有NOMEX纸蜂窝和铝蜂窝，蜂窝材料具有各向异性的特点。另外，因为蜂窝存在开孔结构，不适用一些湿法工艺或树脂注射工艺，例如船舶和风电等领域。铝蜂窝因为和碳纤维面板之间存在电腐蚀的问题，一般不能和碳纤维一同使用。另外，蜂窝结构在使用过程中，会因为面层破坏，发生渗水问题。 玻璃钢/复合材料中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）、丙烯腈-苯乙烯（SAN）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）等。 硬质聚氨酯PUR泡沫与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。作为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材。有时PUR泡沫也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音的作用。该类泡沫的使用温度为150℃左右，吸声性能良好，成型非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣。PUR泡沫价格相对便宜，发泡工艺也比较简单，采用液体发泡。目前主要在运动器材，例如网球拍、冰球棒中用做工艺芯材，并起到一定的阻尼作用。另外在冲浪板中也普遍使用PUR泡沫或EPS泡沫作为芯材。