碳纤维蜂窝夹芯结构的力学特征

2021-07-13 16:59

在结构力学领域,蜂窝的结构给航天器设计师们很大启示,他们在研制时,采用了蜂窝结构:先用金属制造成蜂窝,然后再用两块金属板把它夹起来就成了蜂窝结构。这种蜂窝结构强度很高,重量又很轻,还有益于隔音和隔热。有学者研究了蜂窝薄壁弯曲或皱损、不稳定孔形态、薄壁与连接节点之间不均衡材料分配等缺陷对力学性能的影响。众多学者还对蜂窝材料和泡沫材料力学性能有着较高的研究热情,这是因为他们认为多孔结构能将多种性能(甚至是明显矛盾的性能)结合在一起,这恰恰是传统材料所不能达到的。

  目前最常用的两种结构形式为铝面板一铝蜂窝夹层结构、碳纤维面板一铝蜂窝夹层结构。本文所研究的夹层结构即为上述两种复合材料结构形式,该结构主要由三种基本材料组成,如下图所示。

碳纤维蜂窝夹芯板

  (1)夹层板上部及下部分别为厚度较薄、强度较高的面板,主要承受面内载荷、弯矩及面内剪力;

  (2)夹层板中部为厚度较厚、质量较轻的蜂窝夹芯,它支撑着上、下面板,主要承受面板与夹芯之间传递的载荷及横向剪力;

  (3)胶粘剂,将上、下面板与蜂窝夹芯胶接在一起,组成材料及结构双重复合材料,它可以将剪力由面板传递至蜂窝夹芯及由蜂窝夹芯传递至面板。

  面板的主要功能是提供所要求的轴向弯曲和面内剪切刚度,以承受轴向弯曲和面内剪切载荷。作为航天器结构应用的复合材料主要是纤维增强型复合材料,蜂窝夹芯主要承受横向剪力,形状主要采用正六边形。航天器结构中的蜂窝夹芯材料一般采用铝镁合金。

  蜂窝夹层结构的主要特点是上、下面板材料的厚度一般情况下均相同,而且比蜂窝夹芯厚度要小得多,面板材料的强度和刚度一般均较高。根据夹层板力学分析基本理论,其主要力学性能如下:

  (1)弯矩主要由面板承担。蜂窝夹层复合材料由面板承担的弯矩要远大于由夹芯承担的弯矩。

  (2)面板中的应力沿厚度接近均匀分布。由于面板很薄,面板中的最大应力与平均应力相差很小,因此面板中的应力可认为沿厚度接近均匀分布。

  (3)横向剪力主要由夹芯承担。蜂窝夹层板受载时会产生弯矩和垂直板面的横向剪力。由于面板很薄,能承担的横向剪力不大,因此横向剪力主要由夹芯承担。

  (4)通常不能忽略夹芯的横向剪切应变。由于蜂窝夹芯的横向剪切弹性模量不大,因此横向剪切应变不能忽略。

  (5)夹芯具有支持面板避免失稳的作用。蜂窝夹层板的夹芯将提供上、下面板的横向支承,避免面板的局部失稳。

  鉴于上述优点及力学特性,蜂窝夹层板在航天器板结构中的应用可以达到80%-90%以上,如卫星星体外壳、刚性太阳电池翼等。