漫谈峰窝夹层结构-周祝林

1、漫谈峰窝夹层结构漫谈峰窝夹层结构- -周祝林周祝林漫谈峰窝夹层结构-周祝林.txt漫谈峰窝夹层结构周 祝 林(一)蜂窝夹层结构(图 1)是夹层结构中应用最为广泛的一种.夹层结构是由高强度高模量的薄面板和轻质的厚芯子组成的多层结构材料。由二层薄面板和一层厚芯子组成对称为三层夹层结构，由三层薄面板和二薄厚芯子组成时，称为五层结构，随着层数增多，以此类推。由于蜂窝等较厚的轻质芯子把面板分离得较远，使夹层结构板具有较大的横断面惯性矩，从而使夹层结构具有较高的比强度和比刚度。有资料可查的第一个提出夹层结构设计思想的是费尔贝恩(Fairbairn)(1849 年)。人们常把第二次世界大战的“蚊式”飞机当作使用蜂窝夹层结构的第一个成功结构产品。蜂窝夹层结构具有许多优点，不同材料的蜂窝夹层结构，其优点亦不同。一般蜂窝夹层结构具有以下的共同优点：1、具有较高的比强度和比刚度，一般可减轻结构产品重量的1530%。2、表面光滑，没有打孔、铆钉和缝隙，提高产品的气动性能。没有应力集中，提高疲劳强度和声振疲劳极限。3、可以制成整个结构，增大结构内部空间，减少装配工作量。4、重量轻，有利于运输和安装，也能提高抗振

2、能力。以玻璃钢蜂窝夹层结构为例，除上述优点外，还具有：良好的电性能，如透波性能和电绝缘性能，特别适用于制造雷达罩;耐腐蚀；隔热保温；隔音；耐瞬时高温；容易制造各种复杂形状的产品。 (二)蜂窝夹层结构如此优越，这与采用蜂窝芯子分不开。一提到蜂窝芯子，很自然地会从大自然的蜂房得到启发。据科学工作者观察，每只工蜂一次能形成 8 片蜡鳞，而筑造一个工蜂房要消耗鳞 50 多片，筑造一个雄蜂房要 120 片。工蜂分秘出来的蜡鳞，重量很轻，约400 万片才相当于 1 公斤，也就是 1 公斤蜡鳞可筑造 8 万个蜂房，或 3 万 3 千多个雄蜂房。由此可见蜂房是多么的轻！蜜蜂为了节约材料，用最少的材料来筑造成尽可能多的蜂房，因此，采用最合理的正六边形蜂窝结构。理论上也已证明正六边形蜂房结构是最省材料的。在蜂窝夹层结构中采用的蜂窝芯子，不同于天然蜂房，在胶条处为双层蜂壁，其厚度为单层蜂壁的二倍。如图 2 所示，蜂壁夹角（ 为单层蜂壁夹角的二分之一）与单层蜂壁边长 c，双层蜂壁边长 d 间有下列关系：当 d=o 时，得 =45，即胶条边长 d 接近零时，正方形蜂窝最轻，这是不现实的。为了满足蜂窝胶条强度，一

3、般取 d=c，这时由式求得 =60，这就是通常使用的正六边形蜂窝。为适应不同的用途，蜂窝形状可以多种多样。从玻璃钢蜂窝为例，制造方法有芯棒法（滚压法） ；胶接拉伸法；玻璃纤维纺织法；预浸渍玻璃布化学焊接法四种。通常采用的是胶接拉伸法。这法又可分手工印胶拉伸法和机械自动印胶拉伸法。使用最多的是手工印胶拉伸法，此法是用冷固化的环氧树脂通过刻有条子的牛皮纸对裁好的玻璃布涂胶，每涂一层移动一定位置，使胶条交错，涂胶一定层数后，加接触压力室温固化，然后用切纸机切成一定厚度，拉伸后即成蜂窝芯子。蜂窝芯子浸胶并胶上面板，即成蜂窝夹层结构。（三）蜂窝夹层结构的力学原理类似工字梁，面板起着主要承力作用，类似工字梁缘板；芯子起着支承面板，维持面板的距离，及传递剪力的作用，类似工字梁的腹板。但也有一些不同，如面板比较薄（0.33 毫米） ，在蜂窝夹层结构整体承裁时，往往要出现面板局部失稳；蜂窝芯子是分散的，不象工字梁腹板那样集中，因此，蜂窝芯子的性能，如平压、剪切性能都是重要的，既代表蜂窝芯了本身的的质量，也直接影响蜂窝夹层结构的整体性能。蜂窝芯子是多孔薄壁结构材料，其性能除直接测试外，也可以根据蜂壁性材料

4、性能，蜂窝的形状和尺寸进行理论结算。如蜂窝芯子的平压强度和剪切强度，可以把蜂壁当作四边简支或固支的矩形板，根据板的稳定或极限强度，可以理论上求出蜂窝芯子的平均平压强度和平均剪切强度。平压强度的理论值与实测值的关系如图 3 所示。剪切强度的理论值与实测值的关系如图 4 所示。图中的理论曲线是把蜂壁当作四边简支的情况下进行计算的结果，蜂窝芯子的树脂含量以 45%计算。当考虑实测试样的树脂含量不同时，理论值与实测值更符合。蜂窝芯子的弹性性能，理论值也与实测值符合。以玻璃钢蜂窝芯子为例，通用的树脂配方和树脂含量，一些性能的范围如下：密重范围为（0.0160.12）克/厘米 3；平压强度范围为（260）公斤/厘米 2；平压弹性模量范围为（0.86）103 公斤/厘米2；剪切强度范围为 （0.535）公斤/厘米 2。蜂窝芯子是通过胶接与面板结合成整体，因此胶接强度也是很重要的。面板与芯子的胶接性能，有二个强度指标，一是平拉强度，二是剥离强度。一般干法加胶膜的胶接强度比湿法成型的高。平拉强度范围为（240）公斤/厘米 2，剥离强度范围为（0.410）公斤厘米/厘米 2。面板与蜂窝芯子胶接一起后，成为

5、蜂窝夹层结构。由于有较厚的蜂窝芯子把二层面板分开，使蜂窝夹层结构的刚度比单层板提高几十倍到几百倍，大大地提高了产品的稳定性。蜂窝夹层结构的力学性能是较复杂的，不仅与面板、芯子材料力学性能，蜂窝形状和大小有关，也与胶接工艺有关。蜂窝夹层结构的力学性能主要是侧压性能和弯曲性能。侧压强度主要决定于面板，芯子起支承作用。由于面板较薄，受压后容易失稳，因此，芯子的支承作用也是很重要的。侧压强度根据破坏现象可以分以下三种情况：1、面材局部皱曲而折断或脱胶。蜂窝夹层结构的面板象支承在弹性基础上一样支承在蜂窝芯子上，当面板受压时，面板要发生局部皱曲失稳，其临界应力为：cr=K 3 Ef Ec Gc 式中 K 为皱曲系数，一般在 0.20.3 范围。当面板与芯子的胶接质量较差时，K 值还要偏小，试验中的破坏现象是面板脱胶。Ef 为面板的弹性模量。Ec、Gc 依次为蜂窝芯子的平压弹性模量和剪切模量。从式中可以看出，随着蜂窝芯子的弹性性能 Ec、Gc 的提高，侧压强度也提高。2、 “S”型剪切失稳。当蜂窝芯子较软弱时，要出现“S”型剪切失稳，临界应力为：式中 hc，tf 的意义见图。从式可知，当蜂窝芯子的

6、Gc 较小时，可以增加 hc 来提高剪切临界应力，避免剪切失稳。3、 “酒窝”型局部失稳。当蜂格较大，面板又较薄时，要出现蜂格内面板的“酒窝”型局部失稳，临界应力为：各向同性材料面板：玻璃钢面板（1：1 玻璃布经纬向交叉铺设，取EfL=EfT=Ef，Gf/Ef=1/5=0.2，f=0.15）：式中 d 是蜂格（正六边形时）内切圆直径为 3 C。蜂窝夹层结构梁或板弯曲时，由于刚度提高几十倍到几百倍，相应挠度也大有所降低。根据夹层结构的特点，计算挠度时，应计及因芯子剪切变形而产生的附加挠度，因此，挠度的降低与刚度的提高不成比例，略比刚度提高小一些。蜂窝夹层结构弯曲的应力计算，可简化为面板只受正应力，芯子只受剪应力。1、面板正应力的计算公式如下：当三点弯曲时，则为：从式可以看出，随着蜂窝芯子增厚，面板中正应力降低，也即提高蜂窝夹层结构的抗弯能力。2、蜂窝芯子剪切应力计算公式如下：当三点集中弯曲时，则为：一些玻璃钢蜂窝夹层结构的侧压和弯曲性能列于表 1。注：*者，芯子破坏，未测准面板强度。*者，面板为 4：1 斜纹布，其它为 1：1 斜纹布。（四）由于蜂窝夹层结构具有上述优点，在国防和工业部门中得到了日益增多的应用。主要用于航空、宇航（如机翼，水平安定面、舵面、旋翼、地板、舱盖、发动机整流罩、雷达罩、液体燃料贮箱等）：天线罩，天线反射面，雷达罩；活动房子，家具，隔板，门板，展阅板，水泥模板；火车车厢，汽车外壳及部年；化工管道，化工容器；发动机和电机罩；高低温绝缘装置，微波吸收能装置；吸声隔音装置，防冻保湿装置；电站、冷却塔、净化塔、化工吸收塔的填料等。

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