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蜂巢板及其紧固件应用

发表时间:2020-4-5 9:31:55  作者:三圆  来源:三圆  浏览量:1260

蜂巢板或者叫蜂窝夹层结构被广泛的应用在航空、汽车、船舶、风电涡轮机等领域。通常,蜂巢板结构由低刚度、低密度的内芯和两侧包围的坚硬的外壳组成,它们通过结构粘合剂固定在一起。

蜂巢板结构是具有最小密度并具有相对高的面外压缩性能和面外剪切性能的材料。最初在上个世纪五十年代,就开始应用在飞机结构上,可以被称作是最早的“复合材料“。在结构设计阶段,如果你需要得到更好的强度-重量比时,你可能会用到蜂巢板结构。除了高强度、低重量以外,它还具有隔热和隔音的优点。目前,蜂巢板结构的应用已经出现在机翼、机身、尾翼、雷达罩及地板、内饰等位置,其中在地板和内饰中最为常见。

蜂巢板的主要形式就是蜂巢式的几何形状,内芯是多个六边形单元紧密贴合并与上、下表面的两块板垂直粘合在一起。目前,已经有很多材料被成功应用于蜂巢板结构,包括铝、钢、高温合金,以及纸张、木材、玻璃纤维和塑料等。

无论何种形式的材料配置,都需要把内芯和外板固定在一起,形成一个“外强中干“的结构。固定的方法有很多,其中使用粘合剂的方式最为常见。可以在一个表面上刷涂或喷涂粘合剂膜,然后与已经预先涂覆活化剂的另一部分粘结配合。也有使用其它方式固定的蜂巢结构,如使用焊接方式固定全部钢材料的蜂巢结构,这种材料配置多半是为了提供优异的高温强度性能。

使用蜂巢结构最重要的是解决载荷传递的问题,刚才提到蜂巢板是一个外表坚强、内芯脆弱的结构,不能集中承载较高的载荷力。起初曾想在蜂巢板的内芯中加入填充物作为解决方案,来提高内芯的承载能力,但是无形中增加了结构的重量,使其失去了高强度、低重量的结构特点。

从载荷形式上来说,无外乎剪切力和抗拉力两大类,而在大多数情况下,呈现的往往是这两种载荷的组合。因为蜂巢板结构的主要载荷必需由外表面高强度的面板来承受,但是上下表面的这两块面板都属于薄板结构,因此载荷力需要分布在尽可能大的区域,来降低单位面积上的载荷力强度。

对于这样一种结构形式,在紧固件的选用时,需要将结构布置、载荷预期等应用信息作为设计考虑的重要参数。比如蜂巢板的总厚度、两侧薄板的厚度、内芯的材料类型、表面是否存在弯曲等。

对于选用紧固件而言,找到一款紧固件满足以上条件似乎并不是难事,但是从结构优化的角度考虑,似乎还有很多因素决定着紧固件的选用:

紧固件采用铆接还是螺纹连接?
如果采用螺纹连接,紧固件如何实现自锁?
如果采用铆接,如何控制铆接安装时对蜂巢板的冲击力?
在蜂巢板上采用通孔还是盲孔?
安装孔与紧固件之间该选用哪种配合公差?
是否需要具有一定“游动“性能的”螺母“?
安装表面是否需要满足平齐度要求?
为了尽可能分散表面应力,紧固件如何分布?该选用多大直径?
如果选用螺纹紧固件,安装扭矩设置为多少不损伤蜂巢结构?
从材料兼容性角度考虑,紧固件选用哪种材料?

好在可以被应用在蜂巢板结构上的紧固件种类并不多,最常见的解决方案是在蜂巢内芯中内嵌螺套。这类螺套的安装需要在蜂巢板中开孔,并通过灌封化合物对螺套进行固定,同时这些化合物与螺套主体上的滚花结构相接触,来提供相应的剪切强度。

其安装过程并不复杂,首先根据螺套应用选择通孔还是盲孔进行制孔准备,通过使用辅助安装的粘接片将螺套固定在指定位置,接着灌封粘合剂或环氧树脂,在一定的固化时间后即完成安装。在这里还是有一些需要注意的地方:

对于制孔过程来说,准备盲孔比准备通孔可能会复杂一些。最关键的问题是要保证螺套的底部不能接触到蜂巢板的下板内表面,建议保留的间隙值至少在0.04英寸。目的是保证灌装的粘合剂或环氧树脂可以在螺套下方及周围区域流动;

对于螺套长度的选择来说,通孔时可能需要更加谨慎一些,需要精确地计算总的夹层厚度,主要是因为要保证安装后,蜂巢板上板外表面的平齐程度。

对于粘合剂或环氧树脂的选择,建议选择飞机制造商指定的品牌,目前有很多这类粘合剂的制造商,比较常见的品牌有American Cyanamid, Hexcel, HysolTMä, BASF, Ciba-Geigy。

使用蜂巢板自然也有不好的地方,比如使用标准六边形矩阵形状的蜂窝内芯时,很难形成复杂的弯曲形状,这是因为这种蜂窝内芯结构具有非常高的泊松比,也就是说当这种蜂窝内芯被弯曲粘附到某个形状上时,它将在垂直方向上形成相反的曲率,这会导致脱粘现象。

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