陶瓷薄板-鋁蜂窩復(fù)合幕墻面板溫度變形有限元分析

梁偉金 楊蓉

（廣東工商職業(yè)技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院）

陶瓷薄板-鋁蜂窩復(fù)合幕墻面板是通過(guò)將陶瓷薄板與鋁蜂窩復(fù)合板組成的新型環(huán)保建筑裝飾材料。目前，陶瓷薄板面板已廣泛應(yīng)用于幕墻裝飾工程，得益于其良好的力學(xué)性能和裝飾效果[1-2]。鋁蜂窩板作為航空航天領(lǐng)域應(yīng)用材料，具有重量輕、比強(qiáng)度高、隔音隔熱、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[3]。陶瓷薄板-鋁蜂窩復(fù)合板充分發(fā)揮了復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，綜合了陶瓷薄板和鋁蜂窩板的優(yōu)越性能，因而應(yīng)用于幕墻面板時(shí)將具有更好的抗風(fēng)壓與減震性能。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，陶瓷薄板-鋁蜂窩復(fù)合幕墻面板施工變形不易控制，在受環(huán)境溫度變化的影響時(shí)，由于陶瓷薄板及鋁蜂窩板的熱膨脹系數(shù)相差較大，在內(nèi)部和外部約束下，復(fù)合板將產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，并引起較大的附加形變，影響施工與整體裝飾效果。

鑒于此，為使其廣泛應(yīng)用于幕墻裝飾首要解決的難題是有效控制復(fù)合板基本構(gòu)造溫度變形的影響。本文基于ANSYS 模擬軟件[4]進(jìn)行簡(jiǎn)便有效的有限元分析，通過(guò)參數(shù)化建立模型，分析在溫度荷載作用下，鋁蜂窩芯尺寸和蜂窩蒙皮板對(duì)復(fù)合板變形量的影響，為減小溫度變形提供技術(shù)控制措施，對(duì)于將陶瓷薄板-鋁蜂窩復(fù)合板廣泛應(yīng)用于幕墻面板裝飾有一定的借鑒與參考作用。

1 復(fù)合板溫度應(yīng)力耦合模型的建立

1.1復(fù)合板模型參數(shù)

復(fù)合板基本構(gòu)造見(jiàn)圖1，其中I為陶瓷薄板，II為蜂窩板上蒙皮，III 為鋁蜂窩芯，IV 為蜂窩板下蒙皮，V 為膠粘結(jié)劑。陶瓷薄板與鋁蜂窩板通過(guò)膠粘結(jié)劑粘接，鋁蜂窩板由鋁蜂窩芯和上下蒙皮（鋁板、鋼板、玻璃纖維板）復(fù)合而成。

為簡(jiǎn)化有限元分析模型，忽略膠粘劑的影響，假設(shè)陶瓷薄板與鋁蜂窩蒙皮板、蜂窩芯與鋁蜂窩蒙皮板粘結(jié)完好無(wú)缺陷，層間剪切和位移變化是連續(xù)的。同時(shí)，將蜂窩芯等效為等厚度的勻質(zhì)材料，在考慮芯格壁厚伸縮變形下面內(nèi)等效彈性模量按式（1）近似計(jì)算[5]

其中Ed為蜂窩芯材料的彈性模量，t和l分別為六邊形蜂窩芯格的壁厚和邊長(zhǎng)。

復(fù)合板模型具體尺寸如表1，根據(jù)技術(shù)規(guī)范[2,6]得到復(fù)合板材料的物理性能參數(shù)如表2。

表1 復(fù)合板模型具體尺寸

表2 材料的物理性能參數(shù)

1.2邊界條件

以鄭州市幕墻裝飾工程為例，根據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》近50 年鄭州市基本氣溫可知，鄭州市冬天的最低基本氣溫為-8℃，夏季的最高基本氣溫為36℃。在GB 50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中，冬季室內(nèi)控制溫度規(guī)定為18℃，夏季室內(nèi)控制溫度規(guī)定為26℃。因此，考慮將室內(nèi)控制溫度作為初始溫度，基本氣溫作為均勻溫度荷載，則夏天的溫度邊界條件為初始溫度26℃，溫度荷載36℃；冬天的溫度邊界條件為初始溫度18℃，溫度荷載-8℃。模型位移邊界條件設(shè)置為四邊簡(jiǎn)支，從而進(jìn)行幾何非線性分析。

2 復(fù)合板溫度變形有限元分析與結(jié)果

基于ANSYS軟件APDL參數(shù)化有限元模擬分析，通過(guò)選定單元類型，建立模型，輸入模型參數(shù)，設(shè)置邊界條件，后處理計(jì)算求解出復(fù)合板最大變形。采用基于APDL 的參數(shù)化界面，方便快捷地進(jìn)行大量不同參數(shù)的復(fù)合板溫度變形模擬及分析。參數(shù)方案設(shè)置與模擬計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 參數(shù)方案設(shè)置與模擬計(jì)算結(jié)果

2.1鋁蜂窩芯尺寸對(duì)復(fù)合板溫度變形的影響

通過(guò)改變鋁蜂窩芯尺寸（芯格壁厚、芯格邊長(zhǎng)），調(diào)節(jié)鋁蜂窩芯等效彈性模量，分析在溫度荷載作用下，鋁蜂窩芯尺寸與復(fù)合板變形量之間的關(guān)系，以獲得較小變形的復(fù)合板結(jié)構(gòu)。

從表3 可以看出，整體復(fù)合板溫度變形量與蜂窩芯等效彈性模量呈反比，當(dāng)蒙皮板為鋁合金板和鍍鋁鋅鋼板時(shí)，蜂窩芯等效彈性模量對(duì)整體復(fù)合板溫度變形量的影響較大，從模型溫度變形情況來(lái)看，增加蜂窩芯等效彈性模量可以有效減小溫度對(duì)整體復(fù)合板的變形。

圖2、圖3 分別為整體復(fù)合板溫度變形隨鋁蜂窩夾芯格壁度及鋁蜂窩夾芯格邊長(zhǎng)的變化曲線。從圖中可以看出，鋁蜂窩夾芯格壁厚與整體復(fù)合板溫度變形呈反比，鋁蜂窩夾芯格邊長(zhǎng)與整體復(fù)合板溫度變形呈正比。當(dāng)蒙皮板為鋁合金板和鍍鋁鋅鋼板時(shí)，增加蜂窩芯壁厚、減小蜂窩芯邊長(zhǎng)均可有效減小溫度變形。而當(dāng)蒙皮板為玻璃纖維板時(shí)，鋁蜂窩芯尺寸的改變對(duì)整體復(fù)合板溫度變形影響較小。另一方面，增加蜂窩芯格壁厚，減小蜂窩芯格邊長(zhǎng)會(huì)使蜂窩夾芯質(zhì)量有所增加，不利于整體復(fù)合板的輕量化應(yīng)用，所以應(yīng)在合適質(zhì)量范圍內(nèi)選擇適當(dāng)鋁蜂窩芯尺寸。

圖2 鋁蜂窩芯格壁厚與溫度變形量的關(guān)系曲線

圖3 鋁蜂窩芯格邊長(zhǎng)與溫度變形量的關(guān)系曲線

2.2蜂窩蒙皮對(duì)復(fù)合板溫度變形的影響

保持鋁蜂窩芯尺寸不變，采用不同蜂窩蒙皮（鋁合金板、鍍鋁鋅鋼板、玻璃纖維板），分析在溫度荷載作用下，蜂窩蒙皮板種類與復(fù)合板變形量之間的關(guān)系，以獲得較小變形的復(fù)合板結(jié)構(gòu)。

從表3 可以看出，當(dāng)蜂窩芯格壁厚0.06mm 時(shí)，在不同蒙皮材料時(shí)整體復(fù)合板溫度變形量大小為：玻璃纖維板<鋁合金板<鍍鋁鋅鋼板；當(dāng)蜂窩芯格壁厚0.1mm 和0.2mm 時(shí)，在不同蒙皮材料時(shí)整體復(fù)合板溫度變形量大小為：玻璃纖維板<鍍鋁鋅鋼板<鋁合金板；蒙皮板用玻璃纖維板時(shí)整體復(fù)合板溫度變形量遠(yuǎn)小于用鋁合金板和鍍鋁鋅鋼板的變形量，這是因?yàn)椴ＡЮw維板的線膨脹系數(shù)與陶瓷薄板的相差較小，溫度荷載變化時(shí)相對(duì)形變較小，從而溫度應(yīng)力引起的附加變形較小。

3 結(jié)論

⑴ANSYS 有限元模擬分析軟件能夠較為真實(shí)、有效地模擬復(fù)合板受溫度變化而發(fā)生形變的過(guò)程，雖然模型尺寸、邊界條件的選取對(duì)實(shí)際結(jié)果有一定影響，但可為后續(xù)試驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用提供參考比較，節(jié)約試驗(yàn)成本。

⑵增大鋁蜂窩芯等效彈性模量可以有效減小復(fù)合板溫度變形。通過(guò)增加蜂窩芯格壁厚，減小蜂窩芯格邊長(zhǎng)可提高鋁蜂窩芯等效彈性模量，從而減小復(fù)合板溫度變形，但考慮復(fù)合板的輕量化應(yīng)用，應(yīng)在合適質(zhì)量范圍內(nèi)選擇適當(dāng)鋁蜂窩芯尺寸。

⑶蜂窩蒙皮材料的選擇對(duì)復(fù)合板溫度變形的影響很大，玻璃纖維板蒙皮因其線膨脹系數(shù)與陶瓷薄板的相差較小，從而選擇玻璃纖維板蒙皮可以有效降低整體復(fù)合板溫度變形。在實(shí)際工程中可考慮試驗(yàn)研究玻璃纖維蜂窩板與陶瓷薄板復(fù)合的應(yīng)用。