蜂窝夹芯复合板在方舱中的应用

刘 佳

(山西银河电子设备厂，山西 太原 030006)

0 引言

近年来，随着科学技术的不断进步，新材料、新技术和新工艺的大量涌现，军用方舱得到了迅猛发展，对方舱的机动性、生存能力、维修性、尺寸模数化、通用化都提出了更高的要求。采用强度高、质量轻、保温性好、环保的板材将是方舱发展的方向。

本文主要通过对蜂窝夹芯复合板受力的理论计算，以及相应的机械性能试验数据分析，来验证蜂窝夹芯复合板代替传统聚氨酯泡沫夹芯板在方舱中应用的可行性。

1 蜂窝夹芯复合板简介

1.1 蜂窝夹芯复合板的结构特点

蜂窝夹芯复合板由上、下面板与中间厚而质轻的夹芯粘接或钎焊复合而成。由于它具有较高的比强度、比刚度和较好的隔热、减振、耐冲击等优点而在航天、航空、航海等领域得到广泛运用[1]。

1.2 蜂窝夹芯板的原料

蜂窝芯用料有金属类和非金属类。金属类蜂窝芯有钢箔蜂窝芯、铝箔蜂窝芯等；非金属类蜂窝芯用料主要有芳族蜂窝芯、塑料蜂窝芯、牛皮纸蜂窝芯等。

面板材料一般选用纤维板、玻璃布、粗面刨花板、胶合板、胶制石膏板、薄钢板、薄铝板以及各种金属材料板材。

胶粘剂一般选用酚醛树脂、氯丁橡胶、聚醋酸乙烯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、脲醛树脂等。

2 铝蜂窝夹芯板屈曲受力分析

夹芯大板是由蒙皮和夹芯层组成。本文先后建立了聚氨酯泡沫夹芯板和铝制蜂窝夹芯板的几何模型，见图1。

其中蒙皮为100 mm×100 mm、厚度为1.2 mm的铝板，夹芯层的厚度为50 mm，蜂窝的孔径为3.2 mm。

图1 夹心板几何模型

夹芯板材料的具体参数见表1。

表1 夹芯板材料的具体参数

运用有限元软件ANSYS对夹芯板的力学性能进行仿真分析。夹芯板网格划分见图2。

图2 夹芯板的网格划分

边界条件设置：固定夹芯板的一侧蒙皮，在另一侧蒙皮的中心位置50 mm×50 mm的面积上加载1.5 MPa的载荷；蒙皮与夹芯层之间设置为绑定接触(即蒙皮与夹芯层之间不会发生相对移动)。得到的仿真结果如图3、图4所示。

由图3和图4可知：聚氨酯泡沫夹芯板的最大变形为0.069 85 mm，铝制蜂窝夹芯板的最大变形为0.017 69 mm，显然铝制蜂窝夹芯板的刚度要好于聚氨酯泡沫夹芯板；聚氨酯泡沫夹芯板的最大应力发生在铝蒙皮上，为13.225 MPa，铝制蜂窝夹芯板的最大应力发生在铝制蜂窝上，为31.864 MPa，均远小于铝的屈服强度极限。

图3 聚氨酯泡沫夹芯板的应力及变形云图

图4 铝制蜂窝夹芯板的应力及变形云图

综上可知，铝制蜂窝夹芯板刚度好于聚氨酯泡沫夹芯板，强度与聚氨酯泡沫夹芯板相差不大，就力学性能上来看，铝制蜂窝夹芯板能代替聚氨酯泡沫夹芯板在方舱中的运用。

但考虑到方舱的保温性要求，直接使用铝制蜂窝夹芯板是无法满足要求的，需要在铝蜂窝蜂格内填充泡沫，做成蜂窝-泡沫复合夹芯材料，如图5所示。采取该措施后，其导热系数能达到0.2 W/(m·K)～0.4 W/(m·K)，用该材料制成大板基本能满足方舱的保温性要求，但方舱想要获得更加优异的保温性能，还得使用纸蜂窝芯，常用的是Nomex芳纶纸蜂窝。

图5 蜂窝内发泡复合

3 纸蜂窝夹芯板力学性能的研究

由于蜂窝纸板的基纸成分的空间分布、排列及取向的较大差异，造成蜂窝纸板的力学性能具有显著的各向异性，因此，暂不能有效地用数值计算的方法对其力学性能进行分析。

通过查阅相关资料和试验数据可知，蜂窝纸板压缩过程经历4个阶段：线弹性阶段、弹塑性阶段、塑性坍塌阶段、密实化阶段。具体表现为：蜂窝纸首先以线弹性的方式发生变形，随着压缩载荷的增加，蜂窝孔穴产生局部的弹性屈曲继而产生以塑性铰为特征的塑性坍塌，最后孔穴完全坍塌破坏，蜂窝孔壁压在一起[2，3]。整个压缩过程用曲线表示如图6所示。

图6 蜂窝芯压缩应力—应变曲线

为了更好地研究不同材质蜂窝芯的力学性能，制作了三种样板，分别对其进行了力学性能试验和落锤撞击试验。试验得到的三种蜂窝材料机械性能见表2。其蒙皮材料均为1.2 mm厚铝板，样板尺寸为100 mm×100 mm。

表2 蜂窝材料机械性能

按GJB2093-1994中方法501进行落锤撞击试验后，未见蒙皮破裂，背面蒙皮未见脱层和鼓起[4]。

从试验结果可以看出：Nomex芳纶纸蜂窝板的抗压性能明显要高于铝蜂窝板，其剪切强度值可达到0.4 MPa以上，抗冲击性能也符合标准要求。由上述试验可知，蜂窝芯材料的机械性能通常与其厚度成反比的关系，蜂窝芯越厚，其性能反而下降。因此，在方舱设计时应根据实际需要，选择适宜的蜂窝芯厚度。

4 结语

通过对不同材料夹芯板进行力学性能分析及试验验证可知，蜂窝夹芯复合板可以代替传统聚氨酯泡沫夹芯板在方舱中应用。

作为方舱传统材料聚氨酯泡沫夹芯板的代替材料，Nomex芳纶纸蜂窝夹芯复合板较铝蜂窝夹芯复合板更具优势，但是其造价昂贵，如何降低生产成本、优化舱板的制作工艺将是进一步研究的课题。