輕型木質基互鎖格柵夾芯胞元結構的力學性能

楊冬霞，范長勝，丁寶榮，戴冰，胡英成*

(1.哈爾濱學院 土木建筑工程學院，黑龍江省地下工程技術重點實驗室，哈爾濱 150086；2.生物質材料科學與技術教育部重點實驗室(東北林業大學)，哈爾濱 150040)

0 引言

夾芯結構由于具有高強度、高剛度和較小的重量比，已經成功地在航空航天、海洋、機械和土木工程中應用多年[1-2]。在夾芯結構中，芯層通常可以由泡沫材料或點陣結構組成。泡沫材料可以形成一個連續的核心，提供一個連續的界面，方便黏合到面板材料表面，但它們的比強度和比剛度較低[3]。點陣結構是指由一種或多種結構單元按照特定方式優化組合而成的具有特殊物理性能的一類新材料[4]。2001年，EVANS等[5]明確提出點陣材料的概念，并將點陣材料定義為具有周期性架構的微結構也稱點陣結構。點陣材料相比于泡沫材料具有較高的比強度和比剛度，因為它們具有較高的節點連通性[6]。由于點陣結構的良好性能，人們對多功能材料結構進行設計，尤其是對蜂窩結構進行了大量研究[7]。六角形蜂窩在平面外壓縮和縱向剪切條件下的高比強度和比剛度，被廣泛應用于夾芯結構中。然而，由于節點連通性僅為3[8]，所以它的面內強度較低。方形蜂窩結構的節點連通性為4，因此具有較強的面內特性[9]。方形蜂窩結構與六角形和三角形蜂窩結構相比，具有更高的能量吸收特性[10]。XUE等[11-12]研究了應用304不銹鋼制備金字塔結構、方形蜂窩和折疊板3種幾何形狀結構在抗沖擊狀態下的力學性能。結果表明，3種類型的夾芯板相比于等質量的實心板都能夠承受更大的爆炸力，且方形蜂窩和折疊板結構的抗沖擊性能優于金字塔結構。Cote等[13-14]應用304不銹鋼板開槽焊接的方法制造了方形蜂窩結構，并對其進行平面外壓縮性能測試。將測試結果與六角形蜂窩結構的力學性能進行對比。結果表明，方形蜂窩結構的無量綱峰值強度比高于六角形蜂窩結構。LI等[15]采用FAN等[16]提出的等效連續體方法預測了方形蜂窩結構各向異性的力學性能，應用有限元模擬和試驗驗證的方法，研究方形蜂窩結構在面內離軸方向上的強度。王志鵬等[17]應用碳纖維/樹脂基復合材料制備了嵌鎖式方形蜂窩夾芯結構，對其進行了平面壓縮和三點彎曲試驗。研究結果表明，該結構在準靜態壓縮載荷下表現出優異的吸能特性。ZUHRI等[18]研究了基于亞麻纖維增強聚丙烯(Flax/PP)和聚乳酸(Flax/PLA)復合材料方形和三角形蜂窩結構的壓縮性能。結果表明，方形蜂窩結構的壓縮強度和能量吸收特性明顯高于三角形蜂窩結構，Flax/PP復合材料強度明顯高于Flax/PLA復合材料。王雪[19]制作的方形夾芯結構，面板采用云杉(Spruce)，材料芯層選用黃麻(Jute fabrics)與環氧樹脂(Epoxy)合成的復合材料，對其進行平面壓縮測試。研究結果表明，木質基方形夾芯結構具有良好的力學性能。

目前研究者所研究結構應用的材料大都為金屬材料或復合材料，對木質基材料研究得較少。木質基夾芯結構的材料有多種類型，但大致可以定義為3類，即: ①上下面板是非木質基材料，芯層是木質基材料；②上下面板是木質基材料，芯層是非木質基材料；③上下面板和芯層都是木質基材料。在這些類型中，第3種類型被認為是“綠色環保”的夾芯結構型式[20]。將木質基夾芯結構應用于建筑結構，在快速增長的可變形房屋和預制避難場所中，夾芯板可以顯著節省運輸和組裝時間[21]。木質基夾芯結構可以作為轉換房屋的組成部分進行廣泛研究[22]。本研究的是“綠色環保”夾芯結構類型的制造、性能和應用。目的是分析比較具有不同組成材料、相同結構形式的木質基互鎖格柵夾芯結構的力學性能，以便較為全面地了解夾芯結構，為今后進一步改進和設計模塊化夾芯結構提供有價值的研究信息。

1 材料和方法

1.1 材料

木質基互鎖格柵夾芯胞元結構試件主要包括3部分：面板、芯層和膠黏劑。試件的面板材料有定向結構刨花板(Oriented Strand Board, OSB )，指接落葉松(Larch finger-jointed lumber, Larch)和樺木膠合板(Birch Plywood, Plywood)。OSB板購買于東方港國際木業有限公司，OSB板的產地是德國，品牌是愛格，環保等級是E0級的歐松板，厚度為12 mm，密度為0.61 g/cm3。Larch購買于中國宜春市大嶺木制品綜合加工廠，密度為0.51 g/cm3。Plywood購買于上海識義實業有限公司，產地是上海，品牌是艾克美，厚度為12 mm，密度為0.82 g/cm3。芯層材料選用Larcho膠黏劑，為環氧樹脂(環氧樹脂、固化劑、稀釋劑的質量比為10∶6∶1)，購買于黑龍江省科學院石油化學研究所。

1.2 試件設計

木質基互鎖格柵夾芯胞元結構，如圖1所示。支撐板厚度與面板厚度相同，支撐板中心位置銑槽，尾端是圓形，這樣可以減少應力集中，以往研究者在都加工成方形[13-14,18-19]。由面板材料和芯層可以制作3種試件，試件材料、結構和參數見表1。

圖1 木質基互鎖格柵夾芯結構胞元Fig.1 Wood-based interlocking grid sandwich cell structure

表1 試件尺寸Tab.1 Unit cell size design mm

(1)

1.3 試件制備

木質基互鎖格柵夾芯結構胞元試件的制作過程，如圖2所示。

圖2 木質基互鎖格柵夾芯結構胞元制備方法Fig.2 Method for manufacturing the wood-based interlocking grid sandwich cell structure

首先，按設計尺寸銑削芯材和面板；然后將芯材交叉安裝，2塊芯板相互垂直；將膠黏劑涂抹于面板溝槽和芯材上下邊；最后將芯材插入面板的溝槽中，用扁鉗對試件施加適當壓力。72 h后將試件取下，完成試件的制作。制作好的試件如圖3所示。

圖3 木質基互鎖格柵夾芯結構胞元試件

2 試驗結果

2.1 原材料力學性能

依據GB/T 31264—2014《結構用人造板力學性能試驗方法》進行試件原材料的力學性能測試，其結果見表2。

2.2 平壓測試

依據GB/T 1453—2005《夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》，將試件放置于萬能力學試驗機中進行垂直方向壓縮測試，加載速度為1 mm/min。試件的破壞狀態，如圖4所示。試件的破壞形式主要為支撐板的破壞。由于芯材選用的是指接落葉松，因此，試件破壞的主要形式是支撐板指接處發生折斷，而在非指接部分發生順紋劈裂。由于3種試件的面板材料不同破壞形式也就不同。Larch面板在接觸處發生折斷,Plywood面板在接觸處發生分層,OSB面板沒有破壞，但在平壓載荷作用下密度變大。3種試件壓縮后胞元整體沒有發生破壞，但試件的面版與芯層都發生了不同程度的破壞，胞元試件高度減小。

表2 原材料的力學性能

圖4 木質基互鎖格柵夾芯結構胞元破壞狀態Fig.4 Wood-based interlocking grid sandwich cell structure failure

3 結果與分析

3.1 承載能力分析

木質基互鎖格柵夾芯結構胞元試件的荷載位移曲線，如圖5所示。由圖5中可以觀察到，試件的荷載-位移曲線大致可以分為3個階段，即彈性階段、屈服階段和峰值荷載后的下降階段。在彈性階段，曲線陡峭上升，可以近似為直線，到達峰值后曲線開始下降；在彈性階段Larch+ Larch組合試件曲線的近似線性度沒有其他組合試件的線性度高。導致這種現象的原因是這種組合使用的材料屬于實木，是各向異性材料，每個方向承受載荷能力各不相同，而其他組合中面板使用的材料都屬于木質基復合材料，在生產加工過程中都已經將原材料的各向異性特性降到最低[24]。以OSB為面板的試件，在彈性階段曲線比較陡峭且有良好的線性度。這是由OSB材料的自身特性決定的，OSB的刨花在上、下兩表面呈縱向排列，中間芯層呈橫向排列，這種縱橫交錯的排列方式決定了OSB在受外界環境影響的時候能夠做到穩定不變形，這種重組木質紋理結構的工藝消除了木材的各向異性，其縱向抗彎強度要遠遠大于橫向抗彎強度。

Larch+ Larch組合試件的載荷位移曲線在彈性階段位移1.5 ～7.0 mm區間呈現較好的線性，隨載荷增加芯層中支撐板在接指處發生折斷，到達極限載荷時在面板與支撐板相接觸部分面板發生劈裂。

Plywood+ Larch組合試件的載荷位移曲線在彈性階段有較好的線性度，隨載荷增加芯層中支撐板在接指處發生劈裂，離中心遠的邊緣劈裂程度越大，到達極限載荷時在面板與支撐板相接觸部分，面板發生分層破壞。

OSB+ Larch組合試件的載荷位移曲線在彈性階段斜率較大且呈現出較好的線性，隨載荷增加芯層中支撐板在接指處發生劈裂和折斷，離中心遠的邊緣劈裂和折斷程度越明顯，在試件的加載過程中面板沒有發生明顯破壞。

圖5 試件的位移載荷曲線Fig.5 Displacement load curve of specimens

3.2 力學性能

壓縮強度是材料的一個重要力學量，表示材料結構抵抗外力破壞的能力。用于計算抗壓強度的具體公式為

(2)

式中：σ為壓縮強度，MPa；Pmax為最大壓縮載荷；a為試件的長度，mm。

用于計算壓縮模量的公式為

(3)

式中：E為壓縮模量，GPa；ΔP為壓縮曲線彈性部分的載荷增量；ε為試件變形量。

比強度是指結構材料在單位體積單位質量的強度，其大小為材料在斷裂點的強度與相對密度之比。比強度σss為

(4)

載荷質量比定義為

(5)

式中：λ為載荷質量比；Fmax為試件結構承受的最大載荷，N；m為試件的質量，g。

木質基互鎖格柵夾芯胞元結構試件在平面壓縮狀態下的性能對比，如圖6所示。OSB+Larch組合試件在承載能力、壓縮強度、比強度及質量載荷比4個方面的性能都優于另外2種結構。可以得出，在胞元體積相同的條件下木質基互鎖格柵夾芯結構的性能與其密度之間是非線性相關。因此，改變木質基夾芯結構的面板材料可以有效提高木質基夾芯結構的力學性能。

圖6 3種試件力學性能對比Fig.6 Comparison of mechanical properties of three specimens

3.3 理論分析

木質基互鎖格柵夾芯胞元結構試件在外部載荷作用時，結構受力如圖7所示。受力分析假設條件為結構材料在彈性變形區間內。

圖7 支撐板受力分析Fig.7 Force analysis of support plate

依據公式(6)可以計算出結構在力矩、剪力和軸力共同作用下的變形量(Δ)。

(6)

圖8 面板受力分析

從木質基互鎖格柵夾芯胞元結構試件的支撐板和面板受力分析可以得出，理論計算出結構外邊緣的偏心矩最大，結構中心部分偏心矩最小。這一計算結果與試驗試件的破壞程度恰好一致。離中心載荷距離越遠結構所受應力越大破壞越嚴重，與載荷重合的結構中心整體應力最小，破壞也最小。

3.4 有限元仿真

有限元仿真分析是為了更有效地展示夾芯結構在外載荷作用下的受力狀態。在準靜態壓縮下仿真模型有2種恒定速率下的動態變形過程預測，如圖9所示。圖9(a)中對試件的上下面板施加大小相等方向相反的外部載荷，圖9(b)中對試件的下面板剛性固定，對上面板施加外部載荷。這2種加載情形，第2種與試驗過程相同。本研究的有限元分析是基于Auto Inventor軟件，有限元分析模型幾何結構參數與試驗試件相同。

圖9 2種恒定速率壓縮載荷Fig.9 Two compressive constant rate loadings

仿真分析模型選擇實體單元為C3D4(4節點四面體線性完全積分單元)，模型中的各個組成部件之間選擇膠合連接。在建筑工程結構設計中，通常采用安全系數來反映結構的安全程度。可以根據安全系數判斷出結構破壞狀態和破壞順序。木質基互鎖格柵夾芯胞元結構的仿真結構安全系數分布如圖10所示。仿真過程中可以看到，模型的應力首先發生在支撐板與上下面板相接觸的區域，隨著外部載荷的增加支撐板上的應力從上下面板同時向中間區域逐步擴大。同時上面板在接觸區開始產生形變向四周擴大變形，支撐板應力從邊緣向中心逐漸擴大直至整個面板。仿真結果與試驗時試件的破壞結果一致。

Fig.10 仿真結構安全系數分布圖Fig.10 Distribution diagram of safety factor of simulated structure

3.5 性能分析

比能量吸收值，即單位質量結構材料吸收的能量，是能量吸收過程中材料利用效率的一種度量，數值越高越好。木質基互鎖格柵夾芯結構胞元的比能量吸收值，如圖11所示。圖11中虛線部分為本研究的木質基互鎖格柵夾芯胞元結構試件，其余為木質基復合材料的方形夾芯結構試件。圖11中試件組成材料有Flax/PP(comingled flax fibre reinforced polypropylene)、Flax/PLA(comingled flax fibre reinforced polylactide)[18]、Jute fabrics/epoxy[19]、OSB、Plywood和Larch。圖11中木質基互鎖格柵夾芯胞元結構試件的比能量吸收值為0.498、0.618、1.841 kJ/ kg。試件中OSB+Larch組合的比能量值與圖中復合材料Flax/PP和Jute fabrics/epoxy的值相接近，但結構的相對密度卻遠小于復合材料。因此，木質基互鎖格柵夾芯結構具有質量輕強度高的特點，可以將其用于建筑結構中。將木質基夾芯結構應用于建筑行業可以得到質輕高強、集功能設計及大空間于一體的建筑結構材料，使建筑材料的消耗得以減緩。建筑材料占全球一次性能源消費的23%，每年消耗材料近600億t。在全球范圍內，材料消費在20世紀內增長了8倍，預計這個數字在未來40年將翻一番，這將導致更多的不可再生原材料的消費[25-26]。木質基夾芯結構材料作為一種材料應用于建筑行業，可以實現被動式建筑向主動式或半主動式建筑轉化，有利于現代建筑結構的發展。

圖11 木質基夾芯結構比能量吸收圖Fig.11 Specific energy absorption of wood-based sandwich structure

4 結論

通過對木質基互鎖格柵夾芯胞元結構3種材料組合試件的靜態平壓測試，得出以下結論。

(1) 木質基互鎖格柵夾芯胞元結構的壓縮強度優于自身組成材料。3種組合試件的破壞模式較為相似，破壞形式為支撐板在指接處折斷，面板開裂。破壞位置主要從芯層支撐板與面板相接觸的交叉處開始，這是由于芯層與面板接觸的交叉處是結構強度最薄弱的地方。

(2)在芯層材料、結構及尺寸都相同的條件下，木質基互鎖格柵夾芯胞元結構的力學性能與面板材料密切相關。在平面外壓縮載荷作用下，支撐板是受力主體，但面板材料決定了結構的承載能力。3種組合中OSB+ Larch組合試件在承載能力、壓縮強度、比強度、質量載荷比及比能量吸收方面都高于另外兩種組合。

本次研究的試件具有較大尺寸，建筑結構組件中可以較為方便地使用，同時還可以根據建筑結構應用場所對試件結構尺寸的要求進行調節。如果采用數字化木材加工技術加工試件，不僅可以最大程度減少木質基材料在加工過程中的誤差而且還可以進行定制加工，形成數字創新和藝術設計相結合的輕質木結構建筑。同時，夾芯結構芯層的拓撲結構和面板材料的增強都將是今后研究工作的方向。