王麗君, 斉藤一哉
(1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610039; 2.東京大學(xué), 日本 東京 153-8505)
21世紀(jì),在汽車、船舶以及航空航天領(lǐng)域中,具有高強(qiáng)度、高剛度和輕量化的結(jié)構(gòu)材料是不可或缺的[1-2]。其中的蜂巢夾層結(jié)構(gòu)受到越來越多研究者的青睞。最早應(yīng)用在飛機(jī)上的蜂巢夾層結(jié)構(gòu)是在第二次世界大戰(zhàn)期間,它是由?;締纹瞥伞4撕?,陸續(xù)出現(xiàn)了金屬、玻璃鋼、合金等材料的蜂巢夾層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)材料不僅具有良好的力學(xué)性能,而且還具有良好的抗沖擊性、可設(shè)計性、隔音性、吸音性、耐熱性等等[3-6]。
蜂巢夾層結(jié)構(gòu)實(shí)際上是由蜂窩芯層和2個薄面板組成的[7-9],如圖1所示。
圖1 蜂巢夾層結(jié)構(gòu)示意圖
許多研究結(jié)果表明,面板主要承受拉伸和壓縮載荷,芯層承受橫向剪切載荷,并使面板保有較高的特定彎曲剛度[4, 6, 8-10]。并且,蜂巢芯層通過其失效機(jī)制影響夾層結(jié)構(gòu)的面外壓縮行為和能量吸收能力。為了更好地提高蜂巢結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度,近年研究者更熱衷于重新檢查和優(yōu)化蜂巢單元細(xì)胞以及幾何形狀。穆罕默德的研究小組討論了六邊形蜂巢的不同角度(即60°、90°、120°)對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)120°的正六邊形具有更高的強(qiáng)度[11]。此外,也有研究小組通過使用不同的材料,如金屬箔,塑料箔,由碳纖維、玻璃纖維制成的復(fù)合材料來制造具有不同單元細(xì)胞形狀(例如三角形、正方形、五邊形、六邊形和八邊形)的蜂巢結(jié)構(gòu)[2, 12]。
目前為止,大多數(shù)蜂巢結(jié)構(gòu)都是由傳統(tǒng)技術(shù)制造的。該技術(shù)主要是運(yùn)用擴(kuò)展方法來實(shí)現(xiàn)蜂巢結(jié)構(gòu),如圖2所示;但是,這種技術(shù)在蜂巢的壁與壁之間必須要用粘接或焊接的方法進(jìn)行固定[13],這將需要其他大型設(shè)備來完成,無形中增加了工時和成本,而且對于斷面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)(如機(jī)翼和發(fā)電機(jī)葉片)來說,二次加工是不可避免的。這對于較薄的金屬箔或其他片狀材料來說,在二次加工中蜂巢壁容易塌陷,并且加工裝置非常昂貴。減少或避免二次加工是一個關(guān)鍵問題。目前,折紙技術(shù)吸引了大批材料設(shè)計者和建筑設(shè)計者的關(guān)注[14]。它起源于日本傳統(tǒng)的折紙藝術(shù)[5]。這種技術(shù)可以根據(jù)空間幾何學(xué)設(shè)計出形狀復(fù)雜的蜂巢芯層,并直接把平面圖形變成三維立體結(jié)構(gòu)[15],無須進(jìn)行二次加工。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)波形和開口位置的變化設(shè)計出任意高度的蜂巢芯層,在短時間內(nèi)以低成本制造出符合市場需求的蜂巢結(jié)構(gòu)。Saito小組在這一領(lǐng)域做了大量工作,并基于折紙技術(shù)成功地設(shè)計了復(fù)雜的蜂巢結(jié)構(gòu)[14-15]。
圖2 擴(kuò)展方法的示意圖[13]
在本研究中,基于折紙技術(shù)原理,設(shè)計了正六角形蜂巢結(jié)構(gòu)(角度為120°),并在蜂巢的壁與壁之間設(shè)計了爪來固定,無須使用黏接劑,如圖3所示,并且利用一種新的制造方法(即折疊和彎曲的工藝)制作了2種類型的鋁制蜂巢結(jié)構(gòu)試樣:一種是使用普通黏合劑固定的試樣(傳統(tǒng)的固定方式),另一種是使用鋁爪固定的試樣(專利2015-114459,日本)[16-17]。通過彎曲實(shí)驗(yàn)及壓縮實(shí)驗(yàn),比較了這2種固定方式對該結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,采用鋁爪固定的方式是可行的,并且該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的力學(xué)性能。本研究提供了一種用于制造高強(qiáng)度輕質(zhì)的蜂巢結(jié)構(gòu)的新方法, 并有望廣泛應(yīng)用于交通
圖3 基于折紙技術(shù)的蜂巢結(jié)構(gòu)爪子示意圖
運(yùn)輸和航空航天等領(lǐng)域。
根據(jù)折紙技術(shù)的原理,采用Auto CAD軟件設(shè)計了蜂巢芯層的展開圖。蜂巢的單元細(xì)胞形狀為正六邊形,單元尺寸是19 mm,芯層高度是25 mm。將設(shè)計的尺寸數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦,直接在紙或者其他片狀材料上切割出折痕及開口線。
本研究中,蜂巢芯層和面板都由鋁箔制成,該鋁箔購自UACJ鋁箔公司(東京,日本),其密度為2.7 g/cm3。圖4展示的是蜂巢夾層結(jié)構(gòu)的制造原理圖。首先利用Auto CAD設(shè)計展開圖,然后將尺寸導(dǎo)入電腦,利用切割裝置直接在鋁箔上切割出折痕和開口線,接著采用折疊彎曲工藝制作出不同斷面形狀的蜂巢芯層,最后粘貼上面板。本研究中的蜂巢芯層的鋁箔厚度為0.1 mm,面板的鋁箔厚度為0.8 mm,芯層高度為25 mm。為了考察固定方式是否會對蜂巢結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能造成影響,制作了2種類型的試樣:一種是由普通的黏接劑(Cemedine公司,東京,日本)粘接而成;另一種是自行設(shè)計的鋁爪固定。
圖4 蜂巢夾層結(jié)構(gòu)的制造原理圖
針對2種類型的試樣,進(jìn)行了彎曲和平面壓縮實(shí)驗(yàn)。2種試樣的尺寸一樣,圖5所示的是由鋁爪固定的試樣。圖5(a)是用來做彎曲實(shí)驗(yàn)的試樣,圖5(b)是用來進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)的試樣。首先,采用ASTM C393—2000實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),使用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)(AG-50KNG,島津公司,京都,日本)對2種試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)速度設(shè)定為2 mm/min,支撐桿的跨度為250 mm。為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,每種樣條至少測試3次。通過式(1)和(2)分別計算蜂巢夾層結(jié)構(gòu)試樣的理論彎曲剛度(DS)和實(shí)際彎曲剛度(D),并用式(3)計算其剛度系數(shù)(CD*)。
Ds=Eb1t1H2/2。
(1)
式中:DS是面板的彎曲剛度;E是鋁的彈性模量;b1是試樣的寬度;t1是面板的厚度;H是面板與芯層之間的距離。
D= [(P/δ)l3]/48。
(2)
式中:D是蜂巢結(jié)構(gòu)的彎曲剛度;P是彎曲時承受的最大載荷;δ是蜂巢結(jié)構(gòu)的變形量;l是支撐梁跨度。
D=CD*Ds。
(3)
根據(jù)ASTM C365—2000實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),使用同樣的試驗(yàn)機(jī)(AG-50KNG,島津公司,京都,日本)對蜂巢芯層進(jìn)行了平面壓縮試驗(yàn)。 所有測試均使用50 kN的測力傳感器和0.5 mm/min的壓縮速度進(jìn)行。每種試樣都測量了3次以上。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的荷載-位移關(guān)系曲線,由式(4)計算了蜂巢芯層的實(shí)際抗壓強(qiáng)度(σ)。此外,蜂巢芯層的理論抗壓強(qiáng)度(σc)由式(5)進(jìn)行計算。
σ=P/A。
(4)
式中:P是壓縮時承受的最大載荷;A是芯層橫斷面的面積。
(5)
式中:σy是鋁的屈服強(qiáng)度;υ是鋁的泊松比;t是芯層壁的厚度;b是單元細(xì)胞的尺寸。
圖5 鋁爪固定的試樣
圖6展示了一個蜂巢夾層結(jié)構(gòu)試樣在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中受到集中載荷而出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象的典型例子。明顯看出,無論是哪種類型的試樣,在受到試驗(yàn)機(jī)壓頭擠壓后,面板的中部都出現(xiàn)了大變形,并且蜂巢芯層都有坍塌的現(xiàn)象。值得特別注意的是,由鋁爪固定試樣的蜂巢壁與壁之間有裂開現(xiàn)象,如圖6(b)所示,猜測這將會對蜂巢結(jié)構(gòu)的抗彎性能造成一定的影響。
圖6 蜂巢夾層結(jié)構(gòu)坍塌圖
此外,通過三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)還獲得了蜂巢夾層結(jié)構(gòu)的典型的載荷-位移關(guān)系曲線,如圖7所示。圖中,實(shí)線表示由普通黏合劑固定的試樣,虛線表示由鋁爪固定的試樣。這2條曲線都顯示了蜂巢結(jié)構(gòu)的變形特征,分為線彈性區(qū)域、塑性平臺區(qū)域和致密化區(qū)域3個。這與Ansari的報告類似[9]。在初始區(qū),蜂巢夾層結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性彎曲變形,因此載荷呈線性增加。當(dāng)載荷達(dá)到臨界值時,芯層開始變形,細(xì)胞壁開始起皺,如圖6所示,因此載荷迅速下降,進(jìn)入第2變形區(qū)域。這是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的塑性鉸在蜂巢壁塌陷時發(fā)生。隨后進(jìn)入第3變形區(qū)域,局部的壓縮變形將變成蜂巢壁材料本身的壓縮變形而持續(xù)下去,鋁箔隨著連續(xù)壓縮而變得致密化,因此載荷變成了一條平緩的線。在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中,蜂巢夾層結(jié)構(gòu)除了會發(fā)生彎曲變形以外,還會發(fā)生剪切變形。對于這一點(diǎn),我們在今后的研究中會進(jìn)行具體的調(diào)查。
圖7 蜂窩結(jié)構(gòu)的彎曲行為
同時,無論哪種試樣,它們的最大載荷均大于0.8 kN,并且試樣被壓縮約30 mm后,樣品的負(fù)載均保持在0.3 kN左右。對比2種試樣,由鋁爪固定的試樣的最大載荷(0.84 kN)略低于由黏接劑粘接的試樣的最大載荷(0.91 kN)。這可能是因?yàn)橛射X爪固定的試樣在集中載荷壓縮的過程中壁與壁之間發(fā)生了分離,如圖6(b)所示,因而減弱了蜂巢結(jié)構(gòu)的最大載荷;但是由于最大載荷僅降低了8%左右,因此對于應(yīng)用來說不會有太大的影響。另外,根據(jù)式(1)計算出彎曲試樣的理論彎曲剛度值約為1.12 kN·m2。根據(jù)圖7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,由式(2)算出2種試樣的實(shí)際抗彎剛度(D)均為0.32 kN·m2。這很可能是由于在彎曲實(shí)驗(yàn)過程中,面板與芯層之間黏膠處出現(xiàn)了微小裂紋,甚至有可能發(fā)生了局部塌陷,從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值低于理論值?;趯?shí)際剛度和理論剛度,利用式(3)計算出試樣的剛度系數(shù)為0.29。
圖8展示的是壓縮試驗(yàn)后蜂巢芯層的外觀照片。由圖可知,在10 mm的壓縮后,無論試樣的固定方式如何,蜂巢結(jié)構(gòu)都已經(jīng)完全變形,蜂巢壁已經(jīng)塌陷。此外,2種試樣存在明顯的差異。在壓縮過程中,由鋁爪固定的試樣,圖8(a)所示,蜂巢的相鄰壁之間在壓縮過程中橫向裂開;由黏合劑固定的試樣,黏合的部分并沒裂開,是整體坍塌。這是因?yàn)橛射X爪固定的試樣,其蜂巢壁僅在爪的位置固定,當(dāng)施加垂直載荷時,細(xì)胞壁的其他位置是可自由移動的,黏接劑固定的蜂巢壁被黏合劑完全粘合,在壓縮載荷下不容易脫膠,因而整體坍塌。需要注意,圖8(a)中鋁爪固定的位置在壓縮過程中并沒有裂開,還處于固定狀態(tài),因此不會對蜂巢結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響。
圖8 壓縮試驗(yàn)后蜂巢芯層的外觀圖
圖9是蜂巢結(jié)構(gòu)在平面壓縮實(shí)驗(yàn)中所獲得的載荷-位移關(guān)系特征曲線圖。很明顯,2條曲線都表示蜂巢芯層在壓縮過程中的變形分為線彈性區(qū)域、塑性平臺區(qū)域和致密化區(qū)域3個,這與蜂巢夾層結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的載荷-位移關(guān)系曲線相似。從圖可以看出:試樣被壓縮約10 mm后,由黏接劑固定的試樣(實(shí)線),最大載荷約為5.1 kN;由鋁爪固定的試樣(虛線),最大載荷約為4.95 kN,比由黏接劑固定的試樣略降低了2.9%左右?;趫D9實(shí)驗(yàn)結(jié)果,由式(4)計算得到,無論是由黏接劑固定還是由鋁爪固定的試樣,其實(shí)際抗壓強(qiáng)度都約為0.39 MPa。這表明固定方式并不會對蜂巢結(jié)構(gòu)的抗壓性能造成影響。然而,由式(5)計算出的蜂巢芯層的理論強(qiáng)度約為0.98 MPa,高于實(shí)驗(yàn)值。這主要是由于在進(jìn)行平面壓縮實(shí)驗(yàn)時,只對蜂巢芯層進(jìn)行了測試,而未在測試時粘貼面板(面板會增強(qiáng)蜂巢結(jié)構(gòu)的抗壓性能),導(dǎo)致蜂巢芯層在壓縮過程中直接受壓,極易發(fā)生局部塌陷,所以實(shí)驗(yàn)值低于理論值。
圖9 蜂巢芯層的壓縮行為
在本研究中,基于折紙技術(shù)提出并設(shè)計了正六角形蜂巢結(jié)構(gòu)(角度為120°),并且通過新的制造方法(即折疊和彎曲的工藝)制造了具有高強(qiáng)度輕質(zhì)的鋁制蜂巢結(jié)構(gòu)。通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和平面壓縮試驗(yàn),對比了黏合劑固定的試樣與鋁爪固定的試樣的破壞方式,發(fā)現(xiàn)鋁爪固定的試樣在局部載荷和均勻載荷下壁與壁之間容易裂開,但是在鋁爪固定的位置不會被破壞,因此不會造成大的影響。此外,在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和平面壓縮試驗(yàn)過程中,2種試樣的變形都呈現(xiàn)出典型的荷載-位移關(guān)系曲線特征,即分為線彈性、塑性平臺和致密化3個變形區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這2種類型的試樣的彎曲剛度均為0.32 kN·m2,抗壓強(qiáng)度均為0.39 MPa,這說明鋁爪固定方式不會影響蜂巢結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。綜上所述,利用折紙技術(shù)設(shè)計蜂巢結(jié)構(gòu)不僅避免了二次加工,而且該結(jié)構(gòu)也具有良好的力學(xué)性能,有望在船舶和航空航天領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。
致謝 本研究是在日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)重大項目“折紙工學(xué)蜂巢芯層夾層材料的量產(chǎn)化技術(shù)開發(fā)”的資助下完成的,在此深表謝意!同時,感謝日本城山工業(yè)株式會社的支持。