复合材料夹层结构分析.ppt

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 A sandwich panel (12 mm thickness) with an aluminium foam core and two steel faceplates (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。 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， 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. 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。 表1 几种常用板材重量刚性比较 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。 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。???  铝蜂窝 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。 NOMEX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