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    蜂巢板及其緊固件應用

    發表時間:2020-4-5 9:31:55  作者:三圓  來源:三圓  瀏覽量:1260

    蜂巢板或者叫蜂窩夾層結構被廣泛的應用在航空、汽車、船舶、風電渦輪機等領域。通常,蜂巢板結構由低剛度、低密度的內芯和兩側包圍的堅硬的外殼組成,它們通過結構粘合劑固定在一起。

    蜂巢板結構是具有最小密度并具有相對高的面外壓縮性能和面外剪切性能的材料。最初在上個世紀五十年代,就開始應用在飛機結構上,可以被稱作是最早的“復合材料“。在結構設計階段,如果你需要得到更好的強度-重量比時,你可能會用到蜂巢板結構。除了高強度、低重量以外,它還具有隔熱和隔音的優點。目前,蜂巢板結構的應用已經出現在機翼、機身、尾翼、雷達罩及地板、內飾等位置,其中在地板和內飾中最為常見。

    蜂巢板的主要形式就是蜂巢式的幾何形狀,內芯是多個六邊形單元緊密貼合并與上、下表面的兩塊板垂直粘合在一起。目前,已經有很多材料被成功應用于蜂巢板結構,包括鋁、鋼、高溫合金,以及紙張、木材、玻璃纖維和塑料等。

    無論何種形式的材料配置,都需要把內芯和外板固定在一起,形成一個“外強中干“的結構。固定的方法有很多,其中使用粘合劑的方式最為常見??梢栽谝粋€表面上刷涂或噴涂粘合劑膜,然后與已經預先涂覆活化劑的另一部分粘結配合。也有使用其它方式固定的蜂巢結構,如使用焊接方式固定全部鋼材料的蜂巢結構,這種材料配置多半是為了提供優異的高溫強度性能。

    使用蜂巢結構最重要的是解決載荷傳遞的問題,剛才提到蜂巢板是一個外表堅強、內芯脆弱的結構,不能集中承載較高的載荷力。起初曾想在蜂巢板的內芯中加入填充物作為解決方案,來提高內芯的承載能力,但是無形中增加了結構的重量,使其失去了高強度、低重量的結構特點。

    從載荷形式上來說,無外乎剪切力和抗拉力兩大類,而在大多數情況下,呈現的往往是這兩種載荷的組合。因為蜂巢板結構的主要載荷必需由外表面高強度的面板來承受,但是上下表面的這兩塊面板都屬于薄板結構,因此載荷力需要分布在盡可能大的區域,來降低單位面積上的載荷力強度。

    對于這樣一種結構形式,在緊固件的選用時,需要將結構布置、載荷預期等應用信息作為設計考慮的重要參數。比如蜂巢板的總厚度、兩側薄板的厚度、內芯的材料類型、表面是否存在彎曲等。

    對于選用緊固件而言,找到一款緊固件滿足以上條件似乎并不是難事,但是從結構優化的角度考慮,似乎還有很多因素決定著緊固件的選用:

    緊固件采用鉚接還是螺紋連接?
    如果采用螺紋連接,緊固件如何實現自鎖?
    如果采用鉚接,如何控制鉚接安裝時對蜂巢板的沖擊力?
    在蜂巢板上采用通孔還是盲孔?
    安裝孔與緊固件之間該選用哪種配合公差?
    是否需要具有一定“游動“性能的”螺母“?
    安裝表面是否需要滿足平齊度要求?
    為了盡可能分散表面應力,緊固件如何分布?該選用多大直徑?
    如果選用螺紋緊固件,安裝扭矩設置為多少不損傷蜂巢結構?
    從材料兼容性角度考慮,緊固件選用哪種材料?

    好在可以被應用在蜂巢板結構上的緊固件種類并不多,最常見的解決方案是在蜂巢內芯中內嵌螺套。這類螺套的安裝需要在蜂巢板中開孔,并通過灌封化合物對螺套進行固定,同時這些化合物與螺套主體上的滾花結構相接觸,來提供相應的剪切強度。

    其安裝過程并不復雜,首先根據螺套應用選擇通孔還是盲孔進行制孔準備,通過使用輔助安裝的粘接片將螺套固定在指定位置,接著灌封粘合劑或環氧樹脂,在一定的固化時間后即完成安裝。在這里還是有一些需要注意的地方:

    對于制孔過程來說,準備盲孔比準備通孔可能會復雜一些。最關鍵的問題是要保證螺套的底部不能接觸到蜂巢板的下板內表面,建議保留的間隙值至少在0.04英寸。目的是保證灌裝的粘合劑或環氧樹脂可以在螺套下方及周圍區域流動;

    對于螺套長度的選擇來說,通孔時可能需要更加謹慎一些,需要精確地計算總的夾層厚度,主要是因為要保證安裝后,蜂巢板上板外表面的平齊程度。

    對于粘合劑或環氧樹脂的選擇,建議選擇飛機制造商指定的品牌,目前有很多這類粘合劑的制造商,比較常見的品牌有American Cyanamid, Hexcel, HysolTM?, BASF, Ciba-Geigy。

    使用蜂巢板自然也有不好的地方,比如使用標準六邊形矩陣形狀的蜂窩內芯時,很難形成復雜的彎曲形狀,這是因為這種蜂窩內芯結構具有非常高的泊松比,也就是說當這種蜂窩內芯被彎曲粘附到某個形狀上時,它將在垂直方向上形成相反的曲率,這會導致脫粘現象。

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