發(fā)泡缺陷對(duì)蒙皮鼓泡脫粘的影響研究

張 旭，陳孝玉，劉曉宇，馬 清

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563002）

發(fā)泡缺陷對(duì)蒙皮鼓泡脫粘的影響研究

張 旭，陳孝玉，劉曉宇，馬 清

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563002）

大板式方艙在野外環(huán)境中容易產(chǎn)生脫粘和鼓包現(xiàn)象,對(duì)其研究發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力是引起方艙脫粘、鼓包的主要原因，同時(shí)蒙皮與聚氨酯泡沫之間的氣泡也是造成脫粘、鼓包的重要因素。作者運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立幾種不同尺寸氣泡分析模型，考察了氣泡直徑大小對(duì)粘結(jié)應(yīng)力的影響。分析方艙鼓泡、脫粘產(chǎn)生的原因，從工藝和結(jié)構(gòu)的角度找出解決的辦法，完善方艙的力學(xué)性能，將有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

方艙；脫層；熱應(yīng)力；有限元

移動(dòng)復(fù)合大板式方艙作為一種裝載工具，因具有適用范圍廣、運(yùn)輸方式靈活、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合大板是組成方艙的主要部件，方艙基本由數(shù)塊復(fù)合夾芯板搭接而成，大板的力學(xué)性能對(duì)整個(gè)方艙的力學(xué)性能有著重要影響。復(fù)合夾芯板是一種類(lèi)似“三明治”的結(jié)構(gòu)（如圖1），復(fù)合夾芯板的上下層采用鋁板或者鋼板，中間加以適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)梁，最后用聚氨酯泡沫進(jìn)行發(fā)泡填充。其中加強(qiáng)梁是以鋼板為框架形成閉合環(huán)或者鋁（鋼）管，一端與隔熱椴木條鉚接而成。這種夾芯復(fù)合板結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，各組成材料的特性差異較大，因此其力學(xué)特性分析也較復(fù)雜。經(jīng)常處于熱環(huán)境下工作的復(fù)合式大板會(huì)出現(xiàn)較大的熱應(yīng)力或熱變形，從而導(dǎo)致層合板結(jié)構(gòu)失效[1]。復(fù)合式大板在熱環(huán)境下應(yīng)力和變形分析問(wèn)題已成為結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)工作者十分關(guān)注的問(wèn)題。

圖1 復(fù)合夾芯板斷面結(jié)構(gòu)示意圖

1 鼓泡現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因

復(fù)合大板是組成方艙的主要部件，方艙一般由6～8塊大板組成。大板是以鋁合金為蒙皮、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料為夾芯的復(fù)合板。頂板由于面積大、經(jīng)常受到陽(yáng)光的垂直照射而易產(chǎn)生脫粘和鼓包現(xiàn)象[2]。大板在發(fā)泡過(guò)程中，蒙皮與泡沫之間容易形成一些較大的氣泡，這些氣泡被封閉在大板中，在溫度升高或者降低時(shí)，密閉的氣體壓力會(huì)隨之發(fā)生變化，在大板內(nèi)部產(chǎn)生局部應(yīng)力。氣泡的產(chǎn)生主要有三個(gè)方面的原因：一是發(fā)泡過(guò)程中發(fā)泡材料流動(dòng)填充不到位；二是空氣被封閉在局部空間中；三是發(fā)泡過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體以及發(fā)泡材料自身在攪拌過(guò)程中混入的空氣[3]。氣體的種類(lèi)有空氣、水蒸氣和其它化學(xué)氣體。劉現(xiàn)偉等[4]認(rèn)為這些氣泡是導(dǎo)致金屬蒙皮與泡沫之間脫粘的主要原因。

2 發(fā)泡缺陷分析模型

2.1 發(fā)泡缺陷分析幾何模型的建立

本文研究了氣泡溫升產(chǎn)生的壓力對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，圖2是發(fā)泡缺陷分析的幾何模型。許自立[5]提出利用粘接成型法在加工過(guò)程中將表層硬皮及硬皮下的扁平氣泡全部切除（大約5～10mm厚），從而消除芯材硬皮及其扁平氣泡。本文假設(shè)在方艙頂板芯材中心部位下方7.5mm處存在扁平氣泡，氣泡直徑40mm。氣泡由于溫度升高，對(duì)泡沫及蒙皮產(chǎn)生壓力。假定溫度升高75℃，氣泡體積不變，氣體性質(zhì)符合理想氣體狀態(tài)方程：

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得P2=1.252P1，氣體因熱膨脹壓強(qiáng)增大0.252個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

圖2 發(fā)泡缺陷分析的幾何模型

按照上式，溫度升高 75℃，氣體的壓強(qiáng)增大25.452KPa。將25.452KPa壓力施加在氣泡壁上，模型兩端水平約束，左下角垂直方向約束。進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終獲得的網(wǎng)格如圖3所示，共3117個(gè)結(jié)點(diǎn)，2976個(gè)單元。

圖3 發(fā)泡缺陷分析的網(wǎng)格

2.2 結(jié)果分析

圖4是氣泡附近的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，最高應(yīng)力出現(xiàn)在蒙皮外側(cè)，為12.9MPa；圖5是泡沫所在區(qū)域的應(yīng)力分布，最高應(yīng)力為134.152KPa。圖6是蒙皮的變形趨勢(shì)，變形量為0.153mm；圖7顯示泡沫的變形量最大為0.169mm，較蒙皮變形大。從以上分析結(jié)果可以看出，蒙皮與聚氨酯泡沫之間的氣泡也是造成脫粘、鼓包的重要因素。

圖4 氣泡附近區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖5 泡沫區(qū)域的應(yīng)力

圖6 蒙皮的變形

圖7 泡沫的變形

2.3 氣泡尺寸對(duì)鼓泡的影響

為了考察氣泡尺寸對(duì)蒙皮鼓包、脫粘的影響，本文將上述模型中氣泡的直徑分別設(shè)定為40、45、50、55、60mm，并分析泡沫與蒙皮粘結(jié)處的應(yīng)力。

圖8 泡沫的應(yīng)力（氣泡直徑45mm）

圖9 泡沫的應(yīng)力（氣泡直徑50mm）

圖10 泡沫的應(yīng)力（氣泡直徑55mm）

圖11 泡沫的應(yīng)力（氣泡直徑60mm）

圖12氣泡的應(yīng)力與直徑的關(guān)系

圖8～11是氣泡直徑為45、50、55、60mm時(shí)泡沫上的應(yīng)力分布，其最高應(yīng)力分別為150.753、168.265、168.864、206.057KPa，均比氣泡直徑40mm時(shí)高，出現(xiàn)的位置與氣泡直徑40mm時(shí)相同。根據(jù)GJB870-90軍用電子設(shè)備方艙通用規(guī)范可知[6]，方艙大板的粘接性能，在25、50、70℃的條件下，方艙大板剪切強(qiáng)度不低于20、10、8.5 MPa。標(biāo)準(zhǔn)要求剪切強(qiáng)度不小于18MPa，不均勻撤離強(qiáng)度不小于4Mpa。五次分析的結(jié)果表明，含近表層空洞缺陷的大板芯材在熱載荷作用下，芯材主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在空洞兩端邊緣存在較大拉應(yīng)力，隨著空洞尺寸的增加，空洞兩端的拉應(yīng)力也增大，如圖12所示，說(shuō)明熱載荷作用下，芯材中較大的空洞是導(dǎo)致蒙皮與泡沫脫粘的主要影響因素之一。

3 避免脫粘和鼓泡的方法探究

方艙的鼓包和脫粘是方艙生產(chǎn)中遇到的一個(gè)行業(yè)性難題。降低方艙鼓包、脫粘的幾率，應(yīng)該針對(duì)各種不同的影響因素，采取不同的措施。可以從生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

3.1 大板式方艙大板成型工藝分析

在大板的生產(chǎn)過(guò)程中，由于大板隔熱材料聚氨酯泡沫成型的多樣性，方艙大板通常采用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡

成型和粘接成型兩類(lèi)方法制作?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡成型是在內(nèi)外蒙皮之間的型腔中注入調(diào)制好的聚氨酯泡沫混合液，反應(yīng)混合物流至板內(nèi)型腔中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡；粘接成型法是通過(guò)預(yù)先制造的模具發(fā)泡，將成型的泡沫取出，根據(jù)不同形狀尺寸裁切成塊，在一定壓力和一定溫度下，用專(zhuān)用粘合劑與蒙皮等部件粘接成型。

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡成型工藝簡(jiǎn)單，一次成型，芯材本身直接與蒙皮無(wú)接縫粘接，無(wú)需黏膠劑，不會(huì)在低溫下出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。但這種工藝反應(yīng)持續(xù)時(shí)間短，腔體內(nèi)某些死角不容易完全被泡沫填滿(mǎn)，容易出現(xiàn)空洞現(xiàn)象；混合溶液攪拌不均勻，可能二次發(fā)泡造成局部凸起；由于混合溶液反應(yīng)很快，在其反應(yīng)過(guò)程中往往會(huì)造成泡沫芯板分布不均，出現(xiàn)中間少、邊沿多的現(xiàn)象，同時(shí)泡沫同蒙皮之間形成一層密度較大的硬皮層，這個(gè)硬皮層較脆，在溫度變化較大時(shí)，蒙皮與硬皮之間就會(huì)產(chǎn)生剪切力，便會(huì)出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。粘接成型在加工過(guò)程中將表層硬皮及硬皮下的扁平氣泡全部切除（大約10mm厚）[7]，徹底消除芯材硬皮及扁平氣泡，不會(huì)產(chǎn)生二次發(fā)泡，提高了泡沫的強(qiáng)度，適宜批量生產(chǎn)，可以降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。粘接法工藝的缺點(diǎn)主要有：加工工序多，材料浪費(fèi)大，對(duì)加工精度有較高要求；需要選擇和研制一種耐溫較好、剛韌性較高的膠粘劑。綜合比較，粘接成型法具有較好的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 方艙大板成型結(jié)構(gòu)分析

方艙脫粘是方艙生產(chǎn)行業(yè)的一個(gè)普遍性問(wèn)題，由于方艙工作環(huán)境的特殊性，熱載荷和聚氨酯泡沫空洞現(xiàn)象是不可避免的。研究表明，方艙大板脫粘的主要原因是結(jié)構(gòu)的熱變形，設(shè)計(jì)合理的方艙結(jié)構(gòu)，能降低熱變形，提高方艙的質(zhì)量。在設(shè)計(jì)大板時(shí)應(yīng)注意以下四個(gè)方面：（1）在設(shè)計(jì)內(nèi)腔時(shí)，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)，比如筋條的數(shù)量和結(jié)構(gòu)，考慮使用角度變化較小的設(shè)計(jì)，如采用圓弧型筋條代替直角型筋條；（2）由于發(fā)泡料流動(dòng)性差，芯材中氣體不能順利排除，因此應(yīng)設(shè)計(jì)合理的排氣孔，避免排氣死角的出現(xiàn)；（3）設(shè)計(jì)合理的鋼架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（4）沿厚度方向應(yīng)設(shè)計(jì)更為合理的夾層結(jié)構(gòu)[8]，以減小蒙皮與鋼架間膨脹量不同帶來(lái)的熱應(yīng)力。

4 總結(jié)

本文針對(duì)發(fā)泡缺陷對(duì)蒙皮鼓泡脫粘的影響進(jìn)行了研究，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立了幾種不同尺寸的氣泡分析模型，考察了氣泡直徑大小對(duì)粘結(jié)應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明，氣泡直徑增大，氣泡局部拉應(yīng)力也增大，說(shuō)明熱載荷作用下芯材中較大的空洞是導(dǎo)致蒙皮與泡沫脫粘的主要影響因素之一。本文還從工藝和設(shè)計(jì)的角度提出了一些優(yōu)化方艙、完善方艙力學(xué)性能的建議。

[1]黃俊.熱載荷作用下方艙艙體脫層質(zhì)量問(wèn)題研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2008.

[2]劉子龍,趙征,劉罡,等.方艙復(fù)合疊層板高溫力學(xué)性能研究[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2012,(2):64-68.

[3]張叢文,余文軍.冰箱聚氨酯發(fā)泡空洞的成因及解決方案[J].電器,2011,(S1):382-384.

[4]劉現(xiàn)偉,劉金國(guó),安志光.金屬蒙皮廂板產(chǎn)生鼓泡的原因分析及處理辦法[J].專(zhuān)用汽車(chē),2009,(1):61-62.

[5]許自力.方艙大板工藝技術(shù)研究[J].電子機(jī)械工程,2002,(3): 52-55.

[6]孔令彬,林冬梅.軍用鋁合金聚氨酯夾層大板方艙的研制[J].山東冶金,2003,(4):50-52.

[7]馬天信.方艙大板成型工藝[J].航天制造技術(shù),1999,(5): 55-57.

[8]董虎軍.粘接方艙大板制造工藝探討[J].移動(dòng)電源與車(chē)輛, 2008,(3):33-37.

（責(zé)任編輯：朱 彬）

On the Influence of Foaming upon the Bulge and Debonding of
Covering

ZHANG Xu，CHEN Xiao-yu，LIU Xiao-yu，MA Qing
(Engineering College,Zunyi Normal College,Zunyi 563002,China)

Plate shelter gets bulged and debonded easily in the open air,which results mainly from thermal stress;besides,it is also derived from the bubble between covering and polyurethane foam.By means of ANSYS,several models for analyzing bubble are established to look at the impact of bubble size upon bond stress.Analyzing the causes of getting bulged and debonded,solving the problems from the perspectives of craftsmanship and structure and improving the mechanical property of shelter will contribute to improving the quality of products.

shelter;getting debonded;thermal stress;finite element

TH460.25

A

1009-3583（2016）-0107-04

2015-12-25

貴州省科技廳基金資助項(xiàng)目（黔科合LH字[2016]7001號(hào)）

張 旭，男，河南鄧州人，遵義師范學(xué)院工學(xué)院助教，碩士。研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化。