蜂窩夾芯復合板在方艙中的應用

劉 佳

(山西銀河電子設備廠，山西 太原 030006)

0 引言

近年來，隨著科學技術的不斷進步，新材料、新技術和新工藝的大量涌現，軍用方艙得到了迅猛發展，對方艙的機動性、生存能力、維修性、尺寸模數化、通用化都提出了更高的要求。采用強度高、質量輕、保溫性好、環保的板材將是方艙發展的方向。

本文主要通過對蜂窩夾芯復合板受力的理論計算，以及相應的機械性能試驗數據分析，來驗證蜂窩夾芯復合板代替傳統聚氨酯泡沫夾芯板在方艙中應用的可行性。

1 蜂窩夾芯復合板簡介

1.1 蜂窩夾芯復合板的結構特點

蜂窩夾芯復合板由上、下面板與中間厚而質輕的夾芯粘接或釬焊復合而成。由于它具有較高的比強度、比剛度和較好的隔熱、減振、耐沖擊等優點而在航天、航空、航海等領域得到廣泛運用[1]。

1.2 蜂窩夾芯板的原料

蜂窩芯用料有金屬類和非金屬類。金屬類蜂窩芯有鋼箔蜂窩芯、鋁箔蜂窩芯等；非金屬類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脂、氯丁橡膠、聚醋酸乙烯樹脂、環氧樹脂、聚氨酯樹脂、脲醛樹脂等。

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見表1。

表1 夾芯板材料的具體參數

運用有限元軟件ANSYS對夾芯板的力學性能進行仿真分析。夾芯板網格劃分見圖2。

圖2 夾芯板的網格劃分

邊界條件設置：固定夾芯板的一側蒙皮，在另一側蒙皮的中心位置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置為綁定接觸(即蒙皮與夾芯層之間不會發生相對移動)。得到的仿真結果如圖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力發生在鋁蒙皮上，為13.225 MPa，鋁制蜂窩夾芯板的最大應力發生在鋁制蜂窩上，為31.864 MPa，均遠小于鋁的屈服強度極限。

圖3 聚氨酯泡沫夾芯板的應力及變形云圖

圖4 鋁制蜂窩夾芯板的應力及變形云圖

綜上可知，鋁制蜂窩夾芯板剛度好于聚氨酯泡沫夾芯板，強度與聚氨酯泡沫夾芯板相差不大，就力學性能上來看，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法滿足要求的，需要在鋁蜂窩蜂格內填充泡沫，做成蜂窩-泡沫復合夾芯材料，如圖5所示。采取該措施后，其導熱系數能達到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 蜂窩內發泡復合

3 紙蜂窩夾芯板力學性能的研究

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性能具有顯著的各向異性，因此，暫不能有效地用數值計算的方法對其力學性能進行分析。

通過查閱相關資料和試驗數據可知，蜂窩紙板壓縮過程經歷4個階段：線彈性階段、彈塑性階段、塑性坍塌階段、密實化階段。具體表現為：蜂窩紙首先以線彈性的方式發生變形，隨著壓縮載荷的增加，蜂窩孔穴產生局部的彈性屈曲繼而產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]。整個壓縮過程用曲線表示如圖6所示。

圖6 蜂窩芯壓縮應力—應變曲線

為了更好地研究不同材質蜂窩芯的力學性能，制作了三種樣板，分別對其進行了力學性能試驗和落錘撞擊試驗。試驗得到的三種蜂窩材料機械性能見表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 蜂窩材料機械性能

按GJB2093-1994中方法501進行落錘撞擊試驗后，未見蒙皮破裂，背面蒙皮未見脫層和鼓起[4]。

從試驗結果可以看出：Nomex芳綸紙蜂窩板的抗壓性能明顯要高于鋁蜂窩板，其剪切強度值可達到0.4 MPa以上，抗沖擊性能也符合標準要求。由上述試驗可知，蜂窩芯材料的機械性能通常與其厚度成反比的關系，蜂窩芯越厚，其性能反而下降。因此，在方艙設計時應根據實際需要，選擇適宜的蜂窩芯厚度。

4 結語

通過對不同材料夾芯板進行力學性能分析及試驗驗證可知，蜂窩夾芯復合板可以代替傳統聚氨酯泡沫夾芯板在方艙中應用。

作為方艙傳統材料聚氨酯泡沫夾芯板的代替材料，Nomex芳綸紙蜂窩夾芯復合板較鋁蜂窩夾芯復合板更具優勢，但是其造價昂貴，如何降低生產成本、優化艙板的制作工藝將是進一步研究的課題。