蜂窩夾芯復(fù)合板在方艙中的應(yīng)用

劉 佳

(山西銀河電子設(shè)備廠，山西 太原 030006)

0 引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新材料、新技術(shù)和新工藝的大量涌現(xiàn)，軍用方艙得到了迅猛發(fā)展，對(duì)方艙的機(jī)動(dòng)性、生存能力、維修性、尺寸模數(shù)化、通用化都提出了更高的要求。采用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、保溫性好、環(huán)保的板材將是方艙發(fā)展的方向。

本文主要通過(guò)對(duì)蜂窩夾芯復(fù)合板受力的理論計(jì)算，以及相應(yīng)的機(jī)械性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，來(lái)驗(yàn)證蜂窩夾芯復(fù)合板代替?zhèn)鹘y(tǒng)聚氨酯泡沫夾芯板在方艙中應(yīng)用的可行性。

1 蜂窩夾芯復(fù)合板簡(jiǎn)介

1.1 蜂窩夾芯復(fù)合板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

蜂窩夾芯復(fù)合板由上、下面板與中間厚而質(zhì)輕的夾芯粘接或釬焊復(fù)合而成。由于它具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和較好的隔熱、減振、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)而在航天、航空、航海等領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用[1]。

1.2 蜂窩夾芯板的原料

蜂窩芯用料有金屬類(lèi)和非金屬類(lèi)。金屬類(lèi)蜂窩芯有鋼箔蜂窩芯、鋁箔蜂窩芯等；非金屬類(lèi)蜂窩芯用料主要有芳族蜂窩芯、塑料蜂窩芯、牛皮紙蜂窩芯等。

面板材料一般選用纖維板、玻璃布、粗面刨花板、膠合板、膠制石膏板、薄鋼板、薄鋁板以及各種金屬材料板材。

膠粘劑一般選用酚醛樹(shù)脂、氯丁橡膠、聚醋酸乙烯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、脲醛樹(shù)脂等。

2 鋁蜂窩夾芯板屈曲受力分析

夾芯大板是由蒙皮和夾芯層組成。本文先后建立了聚氨酯泡沫夾芯板和鋁制蜂窩夾芯板的幾何模型，見(jiàn)圖1。

其中蒙皮為100 mm×100 mm、厚度為1.2 mm的鋁板，夾芯層的厚度為50 mm，蜂窩的孔徑為3.2 mm。

圖1 夾心板幾何模型

夾芯板材料的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 夾芯板材料的具體參數(shù)

運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)夾芯板的力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析。夾芯板網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

圖2 夾芯板的網(wǎng)格劃分

邊界條件設(shè)置：固定夾芯板的一側(cè)蒙皮，在另一側(cè)蒙皮的中心位置50 mm×50 mm的面積上加載1.5 MPa的載荷；蒙皮與夾芯層之間設(shè)置為綁定接觸(即蒙皮與夾芯層之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng))。得到的仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可知：聚氨酯泡沫夾芯板的最大變形為0.069 85 mm，鋁制蜂窩夾芯板的最大變形為0.017 69 mm，顯然鋁制蜂窩夾芯板的剛度要好于聚氨酯泡沫夾芯板；聚氨酯泡沫夾芯板的最大應(yīng)力發(fā)生在鋁蒙皮上，為13.225 MPa，鋁制蜂窩夾芯板的最大應(yīng)力發(fā)生在鋁制蜂窩上，為31.864 MPa，均遠(yuǎn)小于鋁的屈服強(qiáng)度極限。

圖3 聚氨酯泡沫夾芯板的應(yīng)力及變形云圖

圖4 鋁制蜂窩夾芯板的應(yīng)力及變形云圖

綜上可知，鋁制蜂窩夾芯板剛度好于聚氨酯泡沫夾芯板，強(qiáng)度與聚氨酯泡沫夾芯板相差不大，就力學(xué)性能上來(lái)看，鋁制蜂窩夾芯板能代替聚氨酯泡沫夾芯板在方艙中的運(yùn)用。

但考慮到方艙的保溫性要求，直接使用鋁制蜂窩夾芯板是無(wú)法滿足要求的，需要在鋁蜂窩蜂格內(nèi)填充泡沫，做成蜂窩-泡沫復(fù)合夾芯材料，如圖5所示。采取該措施后，其導(dǎo)熱系數(shù)能達(dá)到0.2 W/(m·K)～0.4 W/(m·K)，用該材料制成大板基本能滿足方艙的保溫性要求，但方艙想要獲得更加優(yōu)異的保溫性能，還得使用紙蜂窩芯，常用的是Nomex芳綸紙蜂窩。

圖5 蜂窩內(nèi)發(fā)泡復(fù)合

3 紙蜂窩夾芯板力學(xué)性能的研究

由于蜂窩紙板的基紙成分的空間分布、排列及取向的較大差異，造成蜂窩紙板的力學(xué)性能具有顯著的各向異性，因此，暫不能有效地用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析。

通過(guò)查閱相關(guān)資料和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，蜂窩紙板壓縮過(guò)程經(jīng)歷4個(gè)階段：線彈性階段、彈塑性階段、塑性坍塌階段、密實(shí)化階段。具體表現(xiàn)為：蜂窩紙首先以線彈性的方式發(fā)生變形，隨著壓縮載荷的增加，蜂窩孔穴產(chǎn)生局部的彈性屈曲繼而產(chǎn)生以塑性鉸為特征的塑性坍塌，最后孔穴完全坍塌破壞，蜂窩孔壁壓在一起[2，3]。整個(gè)壓縮過(guò)程用曲線表示如圖6所示。

圖6 蜂窩芯壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

為了更好地研究不同材質(zhì)蜂窩芯的力學(xué)性能，制作了三種樣板，分別對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)和落錘撞擊試驗(yàn)。試驗(yàn)得到的三種蜂窩材料機(jī)械性能見(jiàn)表2。其蒙皮材料均為1.2 mm厚鋁板，樣板尺寸為100 mm×100 mm。

表2 蜂窩材料機(jī)械性能

按GJB2093-1994中方法501進(jìn)行落錘撞擊試驗(yàn)后，未見(jiàn)蒙皮破裂，背面蒙皮未見(jiàn)脫層和鼓起[4]。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：Nomex芳綸紙蜂窩板的抗壓性能明顯要高于鋁蜂窩板，其剪切強(qiáng)度值可達(dá)到0.4 MPa以上，抗沖擊性能也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由上述試驗(yàn)可知，蜂窩芯材料的機(jī)械性能通常與其厚度成反比的關(guān)系，蜂窩芯越厚，其性能反而下降。因此，在方艙設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，選擇適宜的蜂窩芯厚度。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同材料夾芯板進(jìn)行力學(xué)性能分析及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，蜂窩夾芯復(fù)合板可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)聚氨酯泡沫夾芯板在方艙中應(yīng)用。

作為方艙傳統(tǒng)材料聚氨酯泡沫夾芯板的代替材料，Nomex芳綸紙蜂窩夾芯復(fù)合板較鋁蜂窩夾芯復(fù)合板更具優(yōu)勢(shì)，但是其造價(jià)昂貴，如何降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化艙板的制作工藝將是進(jìn)一步研究的課題。