再生廢舊纖維非織造布制造蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

許蘭濤 王山英 粘偉誠 田雨勝 吳曉青

(1.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300387：2.福建鑫華股份有限公司，晉江，362241)

我國(guó)是纖維生產(chǎn)和使用大國(guó)，每年各類纖維及織物的消耗量超過千萬噸，且多數(shù)纖維都具有不可降解性。紡織廠的邊角料及廢舊服裝的數(shù)量非?？捎^，造成了浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染也越來越嚴(yán)重，還暗藏著火災(zāi)等許多隱患［1-2］。利用廢舊纖維紡織品制造非織造布的工藝成熟，其產(chǎn)品的柔韌度、厚薄度、各種性能和形狀也可以自由改變［3］。再生廢舊纖維的利用不僅體現(xiàn)出非織造布在原料應(yīng)用上的環(huán)保特色，而且其生產(chǎn)過程也具有環(huán)保特色，甚至可達(dá)到綠色生產(chǎn)［4］。夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是由兩片堅(jiān)硬的面板和輕質(zhì)夾心組成，具有強(qiáng)度高、剛度大、密度低、導(dǎo)熱率低和耐腐蝕等優(yōu)良的性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、鐵路運(yùn)輸以及風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域［5-8］。目前制備的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料一般以玻纖布、紙、棉布或鋁等為原料。天津工業(yè)大學(xué)等單位突破傳統(tǒng)觀念，設(shè)計(jì)開發(fā)了以再生廢舊纖維非織造布為原料制備的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料［9］。本文主要論述蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料中蜂窩芯的寬厚比和蜂窩邊長(zhǎng)的設(shè)計(jì)過程。

1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)及平壓破壞方程推導(dǎo)

蜂窩夾層復(fù)合材料一般是由上、下面板和夾在中間的一層比較厚的軟夾芯構(gòu)成。蜂窩芯的形狀根據(jù)其平面幾何投影，可分為六邊形、菱形、矩形、正弦曲線形和加強(qiáng)帶六邊形等［10］，其中正六邊形蜂窩制造簡(jiǎn)單，用料省，強(qiáng)度也較高，應(yīng)用最廣泛。本文主要是依據(jù)不同平壓破壞形式對(duì)六邊形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 平壓破壞形式

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征的不同，可以有三種不同的破壞形式［11］:①以斜壁失穩(wěn)后最大平均應(yīng)力控制破壞;②以縱壁應(yīng)力達(dá)到材料壓縮強(qiáng)度控制破壞;③以縱壁的失穩(wěn)控制破壞。三種不同的破壞形式對(duì)應(yīng)三種不同的破壞強(qiáng)度。下面就蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的三種破壞形式推導(dǎo)其三種破壞強(qiáng)度方程。

1.2 平壓破壞方程的推導(dǎo)

判斷壓縮是否造成破壞要有依據(jù)，把蜂窩夾層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為四邊簡(jiǎn)支平板給出三種判據(jù)，根據(jù)三種破壞形式和判據(jù)可以推導(dǎo)出蜂窩芯子及夾層結(jié)構(gòu)的平壓破壞方程。

1.2.1 壓縮破壞的三種判據(jù)

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的平壓破壞實(shí)際是蜂壁壁板的壓縮破壞，把蜂壁壁板簡(jiǎn)化為四邊簡(jiǎn)支板，根據(jù)板的彈性屈曲理論，在理想彈性狀態(tài)下，蜂壁的破壞應(yīng)力有:

臨界失穩(wěn)應(yīng)力［12］:

極限載荷:

失穩(wěn)后最大平均應(yīng)力:

式中:E——材料的壓縮模量;

ts——蜂壁厚度:

c——蜂窩邊長(zhǎng);

ν——泊松比:

k——常數(shù)。

1.2.2 蜂窩芯子三種平壓破壞方程

根據(jù)三種破壞形式以及壓縮破壞的三種判據(jù)推導(dǎo)平壓破壞方程。

(1)以斜壁失穩(wěn)后最大平均應(yīng)力控制破壞的平壓方程［11］

平壓破壞方程為:

式中:σsmax——蜂窩芯子壁承受的最大平均應(yīng)力。

(2)以縱壁應(yīng)力達(dá)到材料壓縮強(qiáng)度控制破壞的平壓方程

平壓破壞方程為:

(3)以縱壁的失穩(wěn)控制破壞的平壓方程

平壓破壞方程為:

1.2.3 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與芯子的關(guān)系

從蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中截取一個(gè)結(jié)構(gòu)單元作為代表，說明蜂窩夾層芯子與結(jié)構(gòu)板材的關(guān)系，如圖1所示。圖中c和d表示蜂窩邊長(zhǎng)，θ表示芯子斜壁與板材間的夾角。

圖1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)代表單元(俯視圖)

由力的平衡可知，夾層結(jié)構(gòu)平壓應(yīng)力和蜂窩芯子壁壓應(yīng)力之比與其面積成反比，故:

蜂格為正六邊形:c=d，θ=60°，則:

式中:σzmax——夾層結(jié)構(gòu)所承受的最大平均應(yīng)力。

1.2.4 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度

根據(jù)蜂窩芯子的平壓破壞強(qiáng)度公式(4)、公式(5)、公式(6)以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)平壓強(qiáng)度與芯子平壓強(qiáng)度的關(guān)系公式(12)得到蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板材的平壓強(qiáng)度:

2 非織造布蜂窩夾層板材的設(shè)計(jì)

2.1 寬厚比的設(shè)計(jì)

蜂格為正六邊形:c=d，θ=60°。

將上述參數(shù)代入平壓破壞方程，得:

由此可以得出:

2.2 蜂窩壁邊長(zhǎng)的設(shè)計(jì)

表1 時(shí)蜂窩邊長(zhǎng)和厚度的取值

3 結(jié)語

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