再生廢舊纖維非織造布制造蜂窩夾層結構的設計

許蘭濤 王山英 粘偉誠 田雨勝 吳曉青

(1.天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津，300387：2.福建鑫華股份有限公司，晉江，362241)

我國是纖維生產和使用大國，每年各類纖維及織物的消耗量超過千萬噸，且多數纖維都具有不可降解性。紡織廠的邊角料及廢舊服裝的數量非常可觀，造成了浪費，對環境產生的污染也越來越嚴重，還暗藏著火災等許多隱患［1-2］。利用廢舊纖維紡織品制造非織造布的工藝成熟，其產品的柔韌度、厚薄度、各種性能和形狀也可以自由改變［3］。再生廢舊纖維的利用不僅體現出非織造布在原料應用上的環保特色，而且其生產過程也具有環保特色，甚至可達到綠色生產［4］。夾層結構復合材料是由兩片堅硬的面板和輕質夾心組成，具有強度高、剛度大、密度低、導熱率低和耐腐蝕等優良的性能，被廣泛應用于航空航天、汽車、船舶、鐵路運輸以及風力發電等領域［5-8］。目前制備的蜂窩夾層結構材料一般以玻纖布、紙、棉布或鋁等為原料。天津工業大學等單位突破傳統觀念，設計開發了以再生廢舊纖維非織造布為原料制備的蜂窩夾層結構材料［9］。本文主要論述蜂窩夾層結構材料中蜂窩芯的寬厚比和蜂窩邊長的設計過程。

1 蜂窩夾層結構的設計依據及平壓破壞方程推導

蜂窩夾層復合材料一般是由上、下面板和夾在中間的一層比較厚的軟夾芯構成。蜂窩芯的形狀根據其平面幾何投影，可分為六邊形、菱形、矩形、正弦曲線形和加強帶六邊形等［10］，其中正六邊形蜂窩制造簡單，用料省，強度也較高，應用最廣泛。本文主要是依據不同平壓破壞形式對六邊形蜂窩夾層結構進行設計。

1.1 平壓破壞形式

蜂窩夾層結構根據其結構特征的不同，可以有三種不同的破壞形式［11］:①以斜壁失穩后最大平均應力控制破壞;②以縱壁應力達到材料壓縮強度控制破壞;③以縱壁的失穩控制破壞。三種不同的破壞形式對應三種不同的破壞強度。下面就蜂窩夾層結構的三種破壞形式推導其三種破壞強度方程。

1.2 平壓破壞方程的推導

判斷壓縮是否造成破壞要有依據，把蜂窩夾層結構簡化為四邊簡支平板給出三種判據，根據三種破壞形式和判據可以推導出蜂窩芯子及夾層結構的平壓破壞方程。

1.2.1 壓縮破壞的三種判據

蜂窩夾層結構的平壓破壞實際是蜂壁壁板的壓縮破壞，把蜂壁壁板簡化為四邊簡支板，根據板的彈性屈曲理論，在理想彈性狀態下，蜂壁的破壞應力有:

臨界失穩應力［12］:

極限載荷:

失穩后最大平均應力:

式中:E——材料的壓縮模量;

ts——蜂壁厚度:

c——蜂窩邊長;

ν——泊松比:

k——常數。

1.2.2 蜂窩芯子三種平壓破壞方程

根據三種破壞形式以及壓縮破壞的三種判據推導平壓破壞方程。

(1)以斜壁失穩后最大平均應力控制破壞的平壓方程［11］

平壓破壞方程為:

式中:σsmax——蜂窩芯子壁承受的最大平均應力。

(2)以縱壁應力達到材料壓縮強度控制破壞的平壓方程

平壓破壞方程為:

(3)以縱壁的失穩控制破壞的平壓方程

平壓破壞方程為:

1.2.3 蜂窩夾層結構與芯子的關系

從蜂窩夾層結構復合材料中截取一個結構單元作為代表，說明蜂窩夾層芯子與結構板材的關系，如圖1所示。圖中c和d表示蜂窩邊長，θ表示芯子斜壁與板材間的夾角。

圖1 蜂窩夾層結構代表單元(俯視圖)

由力的平衡可知，夾層結構平壓應力和蜂窩芯子壁壓應力之比與其面積成反比，故:

蜂格為正六邊形:c=d，θ=60°，則:

式中:σzmax——夾層結構所承受的最大平均應力。

1.2.4 蜂窩夾層結構的平壓強度

根據蜂窩芯子的平壓破壞強度公式(4)、公式(5)、公式(6)以及蜂窩夾層結構平壓強度與芯子平壓強度的關系公式(12)得到蜂窩夾層結構板材的平壓強度:

2 非織造布蜂窩夾層板材的設計

2.1 寬厚比的設計

蜂格為正六邊形:c=d，θ=60°。

將上述參數代入平壓破壞方程，得:

由此可以得出:

2.2 蜂窩壁邊長的設計

表1 時蜂窩邊長和厚度的取值

3 結語

［1］ 吳曉青，邱冠雄，李嘉祿，等.廢舊纖維制造裝飾板材的研究［J］.新型建筑材料，2002(5):44-45.

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