陶瓷薄板-鋁蜂窩復合幕墻面板溫度變形有限元分析

梁偉金 楊蓉

（廣東工商職業技術大學建筑工程學院）

陶瓷薄板-鋁蜂窩復合幕墻面板是通過將陶瓷薄板與鋁蜂窩復合板組成的新型環保建筑裝飾材料。目前，陶瓷薄板面板已廣泛應用于幕墻裝飾工程，得益于其良好的力學性能和裝飾效果[1-2]。鋁蜂窩板作為航空航天領域應用材料，具有重量輕、比強度高、隔音隔熱、節能環保等優點[3]。陶瓷薄板-鋁蜂窩復合板充分發揮了復合材料的優勢，綜合了陶瓷薄板和鋁蜂窩板的優越性能，因而應用于幕墻面板時將具有更好的抗風壓與減震性能。但在實際工程應用中，陶瓷薄板-鋁蜂窩復合幕墻面板施工變形不易控制，在受環境溫度變化的影響時，由于陶瓷薄板及鋁蜂窩板的熱膨脹系數相差較大，在內部和外部約束下，復合板將產生較大溫度應力，并引起較大的附加形變，影響施工與整體裝飾效果。

鑒于此，為使其廣泛應用于幕墻裝飾首要解決的難題是有效控制復合板基本構造溫度變形的影響。本文基于ANSYS 模擬軟件[4]進行簡便有效的有限元分析，通過參數化建立模型，分析在溫度荷載作用下，鋁蜂窩芯尺寸和蜂窩蒙皮板對復合板變形量的影響，為減小溫度變形提供技術控制措施，對于將陶瓷薄板-鋁蜂窩復合板廣泛應用于幕墻面板裝飾有一定的借鑒與參考作用。

1 復合板溫度應力耦合模型的建立

1.1復合板模型參數

復合板基本構造見圖1，其中I為陶瓷薄板，II為蜂窩板上蒙皮，III 為鋁蜂窩芯，IV 為蜂窩板下蒙皮，V 為膠粘結劑。陶瓷薄板與鋁蜂窩板通過膠粘結劑粘接，鋁蜂窩板由鋁蜂窩芯和上下蒙皮（鋁板、鋼板、玻璃纖維板）復合而成。

為簡化有限元分析模型，忽略膠粘劑的影響，假設陶瓷薄板與鋁蜂窩蒙皮板、蜂窩芯與鋁蜂窩蒙皮板粘結完好無缺陷，層間剪切和位移變化是連續的。同時，將蜂窩芯等效為等厚度的勻質材料，在考慮芯格壁厚伸縮變形下面內等效彈性模量按式（1）近似計算[5]

其中Ed為蜂窩芯材料的彈性模量，t和l分別為六邊形蜂窩芯格的壁厚和邊長。

復合板模型具體尺寸如表1，根據技術規范[2,6]得到復合板材料的物理性能參數如表2。

表1 復合板模型具體尺寸

表2 材料的物理性能參數

1.2邊界條件

以鄭州市幕墻裝飾工程為例，根據GB50009-2012《建筑結構荷載規范》近50 年鄭州市基本氣溫可知，鄭州市冬天的最低基本氣溫為-8℃，夏季的最高基本氣溫為36℃。在GB 50176-2016《民用建筑熱工設計規范》中，冬季室內控制溫度規定為18℃，夏季室內控制溫度規定為26℃。因此，考慮將室內控制溫度作為初始溫度，基本氣溫作為均勻溫度荷載，則夏天的溫度邊界條件為初始溫度26℃，溫度荷載36℃；冬天的溫度邊界條件為初始溫度18℃，溫度荷載-8℃。模型位移邊界條件設置為四邊簡支，從而進行幾何非線性分析。

2 復合板溫度變形有限元分析與結果

基于ANSYS軟件APDL參數化有限元模擬分析，通過選定單元類型，建立模型，輸入模型參數，設置邊界條件，后處理計算求解出復合板最大變形。采用基于APDL 的參數化界面，方便快捷地進行大量不同參數的復合板溫度變形模擬及分析。參數方案設置與模擬計算結果如表3。

表3 參數方案設置與模擬計算結果

2.1鋁蜂窩芯尺寸對復合板溫度變形的影響

通過改變鋁蜂窩芯尺寸（芯格壁厚、芯格邊長），調節鋁蜂窩芯等效彈性模量，分析在溫度荷載作用下，鋁蜂窩芯尺寸與復合板變形量之間的關系，以獲得較小變形的復合板結構。

從表3 可以看出，整體復合板溫度變形量與蜂窩芯等效彈性模量呈反比，當蒙皮板為鋁合金板和鍍鋁鋅鋼板時，蜂窩芯等效彈性模量對整體復合板溫度變形量的影響較大，從模型溫度變形情況來看，增加蜂窩芯等效彈性模量可以有效減小溫度對整體復合板的變形。

圖2、圖3 分別為整體復合板溫度變形隨鋁蜂窩夾芯格壁度及鋁蜂窩夾芯格邊長的變化曲線。從圖中可以看出，鋁蜂窩夾芯格壁厚與整體復合板溫度變形呈反比，鋁蜂窩夾芯格邊長與整體復合板溫度變形呈正比。當蒙皮板為鋁合金板和鍍鋁鋅鋼板時，增加蜂窩芯壁厚、減小蜂窩芯邊長均可有效減小溫度變形。而當蒙皮板為玻璃纖維板時，鋁蜂窩芯尺寸的改變對整體復合板溫度變形影響較小。另一方面，增加蜂窩芯格壁厚，減小蜂窩芯格邊長會使蜂窩夾芯質量有所增加，不利于整體復合板的輕量化應用，所以應在合適質量范圍內選擇適當鋁蜂窩芯尺寸。

圖2 鋁蜂窩芯格壁厚與溫度變形量的關系曲線

圖3 鋁蜂窩芯格邊長與溫度變形量的關系曲線

2.2蜂窩蒙皮對復合板溫度變形的影響

保持鋁蜂窩芯尺寸不變，采用不同蜂窩蒙皮（鋁合金板、鍍鋁鋅鋼板、玻璃纖維板），分析在溫度荷載作用下，蜂窩蒙皮板種類與復合板變形量之間的關系，以獲得較小變形的復合板結構。

從表3 可以看出，當蜂窩芯格壁厚0.06mm 時，在不同蒙皮材料時整體復合板溫度變形量大小為：玻璃纖維板<鋁合金板<鍍鋁鋅鋼板；當蜂窩芯格壁厚0.1mm 和0.2mm 時，在不同蒙皮材料時整體復合板溫度變形量大小為：玻璃纖維板<鍍鋁鋅鋼板<鋁合金板；蒙皮板用玻璃纖維板時整體復合板溫度變形量遠小于用鋁合金板和鍍鋁鋅鋼板的變形量，這是因為玻璃纖維板的線膨脹系數與陶瓷薄板的相差較小，溫度荷載變化時相對形變較小，從而溫度應力引起的附加變形較小。

3 結論

⑴ANSYS 有限元模擬分析軟件能夠較為真實、有效地模擬復合板受溫度變化而發生形變的過程，雖然模型尺寸、邊界條件的選取對實際結果有一定影響，但可為后續試驗和實際工程應用提供參考比較，節約試驗成本。

⑵增大鋁蜂窩芯等效彈性模量可以有效減小復合板溫度變形。通過增加蜂窩芯格壁厚，減小蜂窩芯格邊長可提高鋁蜂窩芯等效彈性模量，從而減小復合板溫度變形，但考慮復合板的輕量化應用，應在合適質量范圍內選擇適當鋁蜂窩芯尺寸。

⑶蜂窩蒙皮材料的選擇對復合板溫度變形的影響很大，玻璃纖維板蒙皮因其線膨脹系數與陶瓷薄板的相差較小，從而選擇玻璃纖維板蒙皮可以有效降低整體復合板溫度變形。在實際工程中可考慮試驗研究玻璃纖維蜂窩板與陶瓷薄板復合的應用。