夹层设计

夹层结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子胶接而成。一般面板采用强度和刚度比较高的材料，芯子采用密度比较小的材料，如蜂窝芯、泡沫芯和波纹板芯等（如图10.4.1所示）。夹层结构具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音和隔热等优点，因此在飞行器结构上得到了广泛应用。对结构高度大的翼面结构，蒙皮壁板（尤其是上翼面壁板）采用蜂窝夹层结构取代加筋板，能明显减轻质量；对于结构高度小的翼面结构，如操纵面，采用全高度夹层结构代替梁肋式结构，能带来明显的减重效果。以复合材料层合板为面板的夹层结构，由于材料的相容性，目前普遍采用Nomex 蜂窝芯子。

图10.4.1 蜂窝夹层结构示图

10.4.1 夹层结构的破坏模式与设计准则

（1）夹层结构破坏模式

夹层结构各种破坏模式如表10.4.1所示。实际上，结构破坏时几种破坏模式可能同时存在。此外，夹层结构对低能量冲击和湿热环境敏感，且修补较困难。设计时，要对各种可能破坏模式进行强度计算，还要进行防潮密封等设计。

（2）夹层结构设计准则

夹层结构设计，必须使其在设计载荷作用下满足强度和刚度要求，即:

1) 在设计载荷下，面板的面内应力应小于材料强度，或在设计载荷下，面板应变小于设计许用应变。

对于复合材料面板：设计外加载荷=设计载荷

。其中， n 是安全系数，是考虑附加湿热影响的载荷放大系数，。

2) 芯子应有足够的厚度（高度）及刚度，以保证在“设计外加载荷”下，夹层板不发生总体失稳、剪切破坏以及过大的挠度，并保证不发生胶接面剪切破坏。

3) 芯子应有足够的弹性模量和平压强度，以及足够的芯子与面板平拉强度，以保证在“设计外加载荷”下，面板不发生起皱失稳。

4) 面板应足够厚，蜂窝芯格尺寸应合理，以防止在“设计外加载荷”下发生芯格壁失稳及面板发生格间塌陷（即格内面板失稳）。

5) 应尽量避免夹层结构承受垂直于面板的平拉或平压局部集中载荷，以防止局部芯子压塌或镶嵌件拉脱。当集中载荷不可避免时，应采取措施，将载荷分散到其他承力构件上去。

6) 胶粘剂必须具有足够的胶接强度，同时还要考虑耐环境性能和老化性能。

7)

碳纤维层合面板与铝蜂窝芯子胶接面要注意防止电偶腐蚀问题。（通常用一层玻璃纤维布将两m n f ??m f 15.1~06.1=m f

者隔开再胶接到一起。

8) 对雷达罩等有特殊要求的夹层结构，面板、芯子和胶粘剂选择必须考虑电性能、阻燃、毒性和烟雾等特殊设计要求。

表10.4.1夹层结构破坏模式

10.4.2 夹层结构及其选材

（1）面板

为了避免拉弯耦合效应和固化后引起翘曲变形，上、下面板一般具有相同材料和相同厚度。对于复合材料，还要使面板铺层相对夹层板中面为镜面对称。面板选用的材料有：

1）铝合金。如2A12-T4等，视各蜂窝夹层板受载情况的不同，面板厚度最薄为0.15mm，通常选用0.3mm，0.4mm，0.5mm或更厚；

2）碳纤维复合材料。目前常用M40/环氧复合材料、M55J/环氧复合材料等层合板以及M40/环氧和M55J/环氧复合材料的网格面板；

3）凯芙拉（Kevlar）纤维复合材料。为满足电磁波的透波要求，可选用凯芙拉纤维/环氧复合材料，常用的是Kevlar49/环氧复合材料。

4）玻璃布复合材料，如高弹玻璃布/环氧复合材料等。

（2）芯子

芯子材料选择应遵循的原则有：芯子材料密度低，有足够的强度和刚度；胶接性能好；与面板的电性能相匹配，避免电偶腐蚀；工艺性能良好，价格低。对于某些特殊构件，要考虑芯子的电性能、导热性能以及阻燃、防毒和防烟雾性能等。电性能、导热性以及阻燃、防毒和防烟雾性能等。蜂窝芯子有铝蜂窝，玻璃纤维蜂窝以及芳纶纸蜂窝（即Nomex蜂窝）。芯子形状有正六边形、长方形等，一般采用正六边形。Nomex蜂窝是常用的非金属材料蜂窝，尽管它的模量比同密度的铝蜂窝低很多，强度比铝蜂窝略低，但它有良好的韧性及抗损伤能力，特别是局部损伤后不易产生永久变形。铝蜂窝芯子材料常用5A02和美国的5052，5056和2024铝合金。

中国蜂窝芯子的标识。例如5A06-0.03—4.0，其中各项代号相应的意义为：材料—芯格箔厚—芯格边长，即

“5A06”表示铝合金牌号；

“0.03”表示芯格用的箔材厚度，单位为毫米；

“4.0”表示六角形芯格的边长，单位为毫米。

（3）胶粘剂

夹层结构中的胶粘剂分为板芯胶、芯与骨架元件（如梁、肋）粘接胶以及芯子与芯子拼接胶三类，其中板芯胶最为重要。

选用板芯胶时要注意，胶在固化过程中会产生挥发成分，这些挥发成分会产生内压，引起局部地区脱胶或气孔；挥发气体可能使芯子裂开或使芯格变形，挥发水分对芯子及胶本身产生腐蚀或降低其性能，因此建议选用挥发成分不大于1/100的胶粘剂。

固化压力是胶接的重要参数，选用胶粘剂时应充分注意并通过一定的工艺试验。所选胶粘剂，应使芯子与面板在贴合处形成胶瘤，即所谓“填角成形”的能力，以获得足够的胶接强度。

由于芯子加工中较难控制外形容差，所选用胶应有良好的“间隙填充”性能而无须附加强度补偿措施。胶粘剂本身强度都远大于芯子的强度，因此，对板芯胶强度要求主要是它的韧性指标，胶接夹层结构的韧性是指在静或动载下，胶接抵抗板芯剥离的能力。剥离强度直接反映了胶接的韧性，是夹层结构设计中必须测量的一个参数。

为了获得良好的耐环境（湿热）性能以及老化性能，板芯胶一般采用胶膜形式。板芯胶应与其他配套胶以及相关的面板材料具有良好的相容性。

10.4.3 夹层结构设计

不同的设计对成本影响极大，如图10.4.2所示的端头闭合设计，图10.4.2(a)比图（b）要好，图（c）通过增加芯子密度代替梁肋费用更低。因此，设计者应了解制造工艺及方法，使设计的夹层结构制造成本低。

同一夹层结构可根据外载的分布情况，使用不同密度的芯子，用芯—芯胶将它们拼接。但是，当夹层结构几何尺寸较小，芯材拼接块数较多时，拼接胶的质量往往会抵消不同密度芯子所省下的质量，这时不宜采用这种方法进行设计。

夹层结构经常使用螺接或铆接传递高载荷，但机械连接会降低夹层结构疲劳寿命，因此，设计时应尽量避免铆钉过多过密。铆接时尽量采用压铆，减少对夹层结构的冲击。

图10.4.2 蜂窝夹层板端头闭合设计

为保证芯子平滑切割，避免使用“起伏”切割（也称“松弛切割”），应根据面板应力分布，利用铺层丢层设计逐渐改变面板厚度。蜂窝芯子切割中的外形公差可用胶膜填补。当芯子切割形面误差较大时，可用预先固化的玻璃纤维垫板填补，如图10.4.3所示。

夹层结构胶接固化时，为增加胶接强度，要求施加一定的固化压力，压力达不到的地方，用膨胀发泡胶达到胶接的目的。如图10.4.4所示，梁凸缘内侧与蜂窝连接处用带状泡沫胶J —118胶接。胶带膨胀后的厚度为原厚度的2.5倍。

图10.4.3 芯子切割凹陷填补 图10.4.4 夹层结构固化压力要求

夹层结构的设计步骤与设计对象及使用的分析方法有关。目前，航空航天结构常用全高度蜂窝结构，其形面及外形复杂，夹层结构支持条件也不规则。而有限元法具有数据反馈快、修改尺寸方便的优点，并已被广泛应用于航空航天领域，因此，有限元素法已成为夹层结构设计分析的重要手段。

结构设计的步骤如下所述。

第一步：根据外载大小，初步确定夹层结构形式及尺寸。对于全高度翼面夹层结构，外形已固定，可选择的仅为芯子密度及面板厚度。芯子密度可根据局部压力或吸力大小，先确定平拉或平压应力

后，再按公式确定，即：按芯子的许用平压（或平拉）强度[]等于3倍平压（或平拉）应力，选择芯子规格和尺寸；面板应尽可能薄，并按层合板设计方法进行设计。对于长宽比大于3的夹层板，初步确定其结构尺寸时，可将其等效成单位宽度的梁进行设计计算，梁的长度与板的长度相等。 第二步：根据初定结构，用有限元法（或工程设计计算方法）确定内力及支反力。

c σc c []/3σσ=c σc σ

第三步：根据第二步的分析结果，按强度准则修改芯子密度及面板厚度。

第四步：根据修改后的结构尺寸，再进行有限元应力分析，并进行详细的强度校核，检查其强度。刚度和稳定性是否满足要求。

重复第三至第四步，直至得到合适的设计结果。

10.4.4 夹层结构细节

（1）边缘闭合设计

边缘闭合是夹层结构设计特有的的问题，若边缘处还需与其他结构件连接，则要补强。边缘闭合有两种基本形式：面板折成斜面闭合，（如图10.4.5）和边缘连接件闭合（如图10.4.6）。

（a）共固化（b）二次固化

图10.4.5 边缘斜面闭合设计

① 边缘斜面闭合设计

边缘斜面闭合（补强）设计从载荷传递路线考虑有以下几点：

? 斜面角度应不大于30°；

? 面板在过渡区逐段增强；

? 边缘厚度应大于（螺钉或铆钉）连接所需最小厚度；

? 工艺可以是共固化成形，也可以二次固化成形。

② 边缘连接件闭合设计边缘连接件有槽形和Z形等剖面闭合方式。边缘连接件与蜂窝夹层板结合面主要传递剪切载荷，接头加强区的面板应加厚，加强区的宽度应为接头胶接区宽度的2.5～3倍。

图10.4.6 边缘连接件闭合示意图

（2）芯子增强设计

夹层结构由于垂面载荷作用或强度、刚度要求等原因，芯子需要增强。一般采取充填树脂胶、局部芯子加密、加入垫块或成形件等办法增强芯子，如图10.4.7所示。

图10.4.7 夹层板增强设计示意图

（3）防潮密封设计

蜂窝夹层结构防潮设计措施有以下两点：

复合材料面板表面涂密封剂，如H101～H103封孔剂，W06-2Ⅱ底漆和Wof-1Ⅱ面0漆；

密封所有水分可能浸入蜂窝芯格的通道，密封措施如图10.4.8所示。

图10.4.8 防潮密封措施

当然，适当增加复合材料面板厚度，提高其抗冲击分层能力，也可减少水分浸入通道。

（4）受侧压夹层板边缘支持的设计建议

夹层板受侧压作用，边缘支持设计应避免发生面板弯曲引起的平拉伸分层开裂，如图10.4.9（a）所示为不满意设计。为此，应在夹层板边缘处将蜂窝削成斜面、面板闭合与支持结构胶接连接，结合面承受剪切载荷，如图10.4.9（b）所示为满意设计。

（a）不满意设计（b）满意设计

图10.4.9 蜂窝壁板受侧压时边缘支持设计对比