【复合材料夹层结构分析】解析

• 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。
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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。
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。
• 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.
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
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
幕墙(1m x 2m) 15mm厚夹层板 20mm厚夹层板 风压300kgf/m^2 变形量5.2mm 变形量3.7mm 风压500kgf/m^2 变形量10.5mm 变形量7.1mm
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。
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
2 夹层材料
面
板
选择面板时，主要考虑的是材料的刚度和强度，
•
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。
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
• •
•
•
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。
•
•
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，
•
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，
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
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。