D01:10.13374.ism1001053x2007.2.28 第29卷第12期 北京科技大学学报 Vol.29 No.12 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩性能 井玉安1,2) 韩静涛)果世驹)宋波2) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832辽宁科技大学材料科学与工程学院，鞍山114044 摘要利用MT$810材料试验机对真空轩焊普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩性能进行了实验测试.分析了面外压缩变形特 性以及结构参数对蜂窝夹芯板面外压缩强度的影响.研究发现，普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩变形可分为弹性变形、塑性变 形和压实三个阶段.蜂窝胞壁厚度与胞壁边长的比值t/a是影响塑性变形初期变形方式的主要因素.比值/心>QO427时， 塑性变形初期以屈服方式进行：t/<QO427时，塑性变形初期以屈曲方式进行.在结构参数对性能的影响中，胞壁厚度对蜂 窝夹芯板的初始压缩强度和峰值抗压强度影响最大，胞壁边长的影响次之，而面板及夹芯厚度的影响较小. 关键词钢质蜂窝：三明治夹芯；复合材料：应力应变曲线：压缩强度：屈曲 分类号TU599 蜂窝夹芯复合板由上、下面板与中间厚而质轻 强度和比刚度进行了研究.Jeom等1？通过实验研 的夹芯所构成是一种轻质高效结构功能材料.由 究了面外压缩时，铝蜂窝的压缩强度与变形量的关 于它具有较高的比强度、比刚度和较好的隔热、减 系.Ce等利用钎焊方法制备了不锈钢方孔蜂 振、耐冲击等优点而在航空、航天、航海、高速列车等 窝，对其面外压缩性能进行了详细研究，并与现有铝 领域得到广泛应用？.蜂窝夹芯板中，夹芯的形 蜂窝的结构性能作了比较.M eraghni和Des rum aux 式主要有波纹形、正六边形、正方形、圆形及三角形 等母利用有限元法与等效刚度法和实验相结合，对 等，其中正六边形夹芯的综合性能最好.夹芯的材 不规则六角形聚丙烯蜂窝芯进行了模拟和实验研 质包括纸、玻璃钢、金属、工程塑料以及陶瓷等，金属 究.综上资料表明，在金属蜂窝夹芯板的研究中，对 芯材中以铝最多，由于蜂窝夹芯复合板主要承受弯 铝蜂窝夹芯板的研究比较深入而对钢蜂窝夹芯板 曲和冲击等，因此其面外压缩性能起着决定性作用. 的研究资料很少，尽管钢蜂窝夹芯板的密度比铝等 国内外许多文献对蜂窝夹芯复合板的面外压缩性能 轻金属高，但由于钢的高强度和高弹性模量，故用其 进行了详细研究.周祝林等对玻璃钢、铝等蜂 制作的蜂窝夹芯板仍然具有较好的综合力学性能. 窝夹芯板的面外压缩弹性模量和抗压强度等指标进本文所研究的普碳钢峰窝夹芯板是利用Q215普通 行了详细研究.富明慧等⑨根据力学理论对蜂窝结 碳素钢冷轧薄板经冷弯成形，组装、钎焊后得到的正 构的面外及面内压缩性能进行了推导.孙亚平 六边形蜂窝夹芯板：对这种夹芯板的面外压缩性能 等一⑧建立以原纸环压强度为控制的纸蜂窝结构面 及变形规律进行了实验研究和分析，讨论了结构参 外载荷理论模型和临界载荷计算方法并与实验结 数包括胞壁厚度、胞壁边长、夹芯厚度以及面板厚度 果作了对比.程小全等列采用准静态横向压缩方法 对蜂窝结构面外压缩强度等的影响. 对Nomex蜂窝夹芯板的面外压缩性能及弯曲性能 进行了实验研究.徐胜今等10根据低阶剪切理论 1实验方法 分析了蜂窝夹层板的等效弹性参数，并运用NAS- 1.1试样几何尺寸 TRAN研究了铝蜂窝夹层板的应力分布，Wadley 实验所用蜂窝夹芯板的几何尺寸如表1所示. 等利用模压成形方法制备了四面体桁架夹芯结 其结构及单元胞尺寸如图1所示.试样夹芯和面板 构的304不锈钢三明治板。并对这种三明治板的比 所用材料均为Q215普通碳素钢冷轧薄板.试样制 备时，首先利用波纹模具将剪切整齐的普碳钢板条 收稿日期：200609-27修回日期：200612-27 基金项且：国家高新技术研究发展计划资金资助项目(No. 冷弯成波纹板条，再用自行设计的夹具将波纹板条 2002AA334070) 与面板及钎料箔组装定位，然后置于真空炉中进行 作者简介：井玉安(1967一），男.博士研究生：韩静涛(1957一），男. 钎焊冷却到室温后取出试样，去掉夹具即可进行性 教授，博士生导师 能测试.普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩性能 井玉安1, 2) 韩静涛1) 果世驹1) 宋 波2) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2) 辽宁科技大学材料科学与工程学院, 鞍山 114044 摘 要 利用 MTS 810 材料试验机对真空钎焊普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩性能进行了实验测试.分析了面外压缩变形特 性以及结构参数对蜂窝夹芯板面外压缩强度的影响.研究发现, 普碳钢蜂窝夹芯板的面外压缩变形可分为弹性变形、塑性变 形和压实三个阶段.蜂窝胞壁厚度与胞壁边长的比值 t/ a 是影响塑性变形初期变形方式的主要因素.比值 t/ a >0.0427 时, 塑性变形初期以屈服方式进行;t/ a <0.042 7 时, 塑性变形初期以屈曲方式进行.在结构参数对性能的影响中, 胞壁厚度对蜂 窝夹芯板的初始压缩强度和峰值抗压强度影响最大, 胞壁边长的影响次之, 而面板及夹芯厚度的影响较小. 关键词 钢质蜂窝;三明治夹芯;复合材料;应力-应变曲线 ;压缩强度;屈曲 分类号 TU 599 收稿日期:2006-09-27 修回日期:2006-12-27 基金项 目:国家 高新技 术研 究发 展计划 资金 资助项 目 ( No . 2002AA334070) 作者简介:井玉安( 1967—) , 男, 博士研究生;韩静涛( 1957—) , 男, 教授, 博士生导师 蜂窝夹芯复合板由上、下面板与中间厚而质轻 的夹芯所构成, 是一种轻质高效结构功能材料.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空、航天、航海 、高速列车等 领域得到广泛应用 [ 1-2] .蜂窝夹芯板中, 夹芯的形 式主要有波纹形 、正六边形 、正方形 、圆形及三角形 等, 其中正六边形夹芯的综合性能最好.夹芯的材 质包括纸 、玻璃钢、金属、工程塑料以及陶瓷等, 金属 芯材中以铝最多 .由于蜂窝夹芯复合板主要承受弯 曲和冲击等, 因此其面外压缩性能起着决定性作用 . 国内外许多文献对蜂窝夹芯复合板的面外压缩性能 进行了详细研究 .周祝林等[ 3-5] 对玻璃钢、铝等蜂 窝夹芯板的面外压缩弹性模量和抗压强度等指标进 行了详细研究.富明慧等 [ 6] 根据力学理论对蜂窝结 构的面外及面内压缩性能进行了推导 .孙亚平 等[ 7-8] 建立以原纸环压强度为控制的纸蜂窝结构面 外载荷理论模型和临界载荷计算方法, 并与实验结 果作了对比.程小全等 [ 9] 采用准静态横向压缩方法 对Nomex 蜂窝夹芯板的面外压缩性能及弯曲性能 进行了实验研究 .徐胜今等[ 10] 根据低阶剪切理论 分析了蜂窝夹层板的等效弹性参数, 并运用 NAS￾TRAN 研究了铝蜂窝夹层板的应力分布 .Wadley 等 [ 11] 利用模压成形方法制备了四面体桁架夹芯结 构的 304 不锈钢三明治板, 并对这种三明治板的比 强度和比刚度进行了研究 .Jeom 等[ 12] 通过实验研 究了面外压缩时, 铝蜂窝的压缩强度与变形量的关 系 .Cô té 等[ 13] 利用钎焊方法制备了不锈钢方孔蜂 窝, 对其面外压缩性能进行了详细研究, 并与现有铝 蜂窝的结构性能作了比较.M eraghni 和 Desrumaux 等[ 14] 利用有限元法与等效刚度法和实验相结合, 对 不规则六角形聚丙烯蜂窝芯进行了模拟和实验研 究 .综上资料表明, 在金属蜂窝夹芯板的研究中, 对 铝蜂窝夹芯板的研究比较深入, 而对钢蜂窝夹芯板 的研究资料很少.尽管钢蜂窝夹芯板的密度比铝等 轻金属高, 但由于钢的高强度和高弹性模量, 故用其 制作的蜂窝夹芯板仍然具有较好的综合力学性能. 本文所研究的普碳钢蜂窝夹芯板是利用 Q215 普通 碳素钢冷轧薄板经冷弯成形 、组装、钎焊后得到的正 六边形蜂窝夹芯板;对这种夹芯板的面外压缩性能 及变形规律进行了实验研究和分析, 讨论了结构参 数包括胞壁厚度、胞壁边长 、夹芯厚度以及面板厚度 对蜂窝结构面外压缩强度等的影响. 1 实验方法 1.1 试样几何尺寸 实验所用蜂窝夹芯板的几何尺寸如表 1 所示. 其结构及单元胞尺寸如图 1所示 .试样夹芯和面板 所用材料均为 Q215 普通碳素钢冷轧薄板.试样制 备时, 首先利用波纹模具将剪切整齐的普碳钢板条 冷弯成波纹板条, 再用自行设计的夹具将波纹板条 与面板及钎料箔组装定位, 然后置于真空炉中进行 钎焊, 冷却到室温后取出试样, 去掉夹具即可进行性 能测试 . 第 29 卷 第 12 期 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 No.12 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.12.028