井玉安1,2，果世驹1，李志军3，韩静涛1
(1.北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083;2.辽宁科技大学材料科学与工程学院,
辽宁鞍山114044;3.中国钢铁集团鞍山热能研究院，辽宁鞍山114044)
摘 要：对普碳钢蜂窝夹芯板进行了面内压缩试验，利用贴片法测量了等效弹性模量和泊松比，测出了抗压强度。结果表明：不带面板时，蜂窝芯子的泊松比接近于1.0；带面板时，蜂窝板的泊松比减小到0.33～0.39，其值随面板厚度的增加而减小；等效弹性模量的实测值与计算值之间的相对误差小于7%；抗压强度的实测值与计算值之间的相对误差在0.6%～32%；面内压缩时，普碳钢蜂窝夹芯板的等效弹性模量及抗压强度主要受面板厚度和夹芯厚度的影响，二者均随面板厚度的增加而增大，随夹芯厚度的增加而减小，胞壁厚度和胞壁边长的影响很小。 关键词：钢蜂窝夹芯板；应力2应变曲线；抗压强度；泊松比
中图分类号:T G142.1 文献标识码:A 文章编号:100023738(2007)0820019204
In2plane Compressive Properties of Mild Steel H oneycomb Sandwich
JING Yu2an1,2,GU O Shi2ju1,L I Zhi2jun3,HAN Jing2tao1
(1.University of Science and Technology Beijing,Beijing100083,China;
2.University of Science and Technology Liaoning,Anshan114044,China;
3.Anshan Research Instit ute of Thermo2enenrgy,Anshan114044,China)
Abstract:The Y oung’s modulus and Poisson’s ratio of steel honeycomb sandwich were measured by resistance strain gauge,and the compressive stress2strain curves were plotted.The results show that the Poisson’s ratios approached1.0for honeycomb core without facings,decrease to0.33-0.39for honeycomb panels with facings,and varies inversely with the face thickness.The errors of Y oung’s modulus between measurements and calculations are less than7%,but the errors of peak compress strength reache0.6%-32%.The Y oung’s modulus and peak compressive strength are influenced by face thickness and core thickness,both of them increase with face thickness and decrease with core thickness,but cell wall thickness and cell side length have little effect on them.
K ey w ords:steel honeycomb sandwich;stress2strain curve;compressive strength;Poisson’s ratio
0 引 言
蜂窝夹芯复合板是由上、下面板与中间厚而质轻的夹芯所构成，是一种轻质高效结构功能材料。由于具有较高的比强度、比刚度和较好的隔热、减振、吸能等优点而在航空、航天、航海、高速列车等方面得到广泛应用[1-3]。目前国内外已对蜂窝夹芯复合板的面内压缩性能进行了研究[4-14]，但仅针对玻璃钢、铝等材料制成的蜂窝板，而对普通碳钢蜂窝板却很少涉
收稿日期:2006209213；修订日期:2007202226
基金项目：国家高新技术研究发展(863)计划资助项目
(2002AA334070)
作者简介：井玉安(1967-)，男，辽宁北镇人，副教授，博士研究生。导师：果世驹教授，韩静涛教授及。为此，作者对由Q215普通碳素钢冷轧薄板经冷弯成形后再进行组装钎焊而得到的正六边形蜂窝夹芯结构沿面内压缩时的弹性模量、泊松比及应力2应变曲线进行了测定，并与计算值进行了对比分析。
图1为蜂窝夹芯板单元胞的结构示意，试样尺寸见表1。测试钢蜂窝夹芯板的弹性参数时，参照了G B/T1454-1987及ASTM C364-57标准。
用M TS8102100kN材料试验机进行面内压缩试验，按图2方法进行贴片和组桥。试验时，用两台Y J225型静态电阻应变仪可以同时测量沿x向和y 向的应变，如当沿x方向施加单向压缩应力时,R1可测出x方向的压缩应变,r1可测出y方向的拉伸
・
9
1
・
第31卷第8期2007年8月
机 械 工 程 材 料
Materials for Mechanical Engineering
Vol.31 No.8
Aug.2007
图1 蜂窝夹芯板的结构参数及其单元胞的取法
Fig.1 H oneycomb p anel geometry and its unit cell
应变,R2及r2均为补偿片。
测出弹性模量后，试验机卸载到零点，然后对试
图2 电阻应变片的贴法及组桥方式
Fig.2 R esistance sytrain gauge and electric bridge mode
样进行连续加载，利用试验机压力和位移传感器记
录力和位移数据。忽略试样承压面面积的变化，可
以作出试样的工程应力2应变曲线。
表1 蜂窝夹芯板试样尺寸及弹性模量和抗压强度的测试结果
T ab.1 Scheme for experiments and experimental results
试样
编号
试样参数
(t w2a2h2t f)
/mm
压缩
方向
结构参数等效弹性模量/GPa泊松比抗压强度/MPa
θ
(t w/a)
废都性描写β(t f/h)计算值测量值
相对
误差
/%
测量值计算值测量值
相对
误差
/% L10.527.521520x0.06700.0300.028 6.70.988-0.41-L20.527.521520.25x0.0670.016 6.520 6.230 4.50.39814.459.6932.9 L30.527.521520.45x0.0670.03011.48011.140 6.40.36820.6717.4515.6 L40.527.521520.98x0.0670.06523.51022.320 3.00.34729.5926.2311.4 L50.527.522020.45x0.0670.0239.0608.580 5.30.35418.5013.9824.4 L60.527.522520.45x0.0670.0187.270 6.860 4.00.34617.1312.3031.2 L70.527.521520.45y0.0670.03011.23011.030 5.60.37414.9814.810.6 L80.521021520.45x0.0500.03011.10011.0400.50.34618.1214.8418.1 L90.52521520.45x0.1000.03011.50011.140 3.10.37325.6722.4512.5
L100.52521520.45y0.1000.03011.28010.850 3.80.37515.8715.85 1.3
L110.2527.521520.45x0.0330.03011.42011.020 3.50.33515.6016.5111.0
L120.527.521520y0.06700.0240.023 4.30.998-0.31-
2 试验结果
由图3可见，试样的压缩变形分弹性变形、塑性
变形和压实三个阶段。弹性变形和压实阶段变形量
很小，塑性变形阶段变形量很大，变形主要以面板的
屈曲为主，面板的连续屈曲造成应力的上下波动，在
此过程中吸收大量的能量。为便于观察曲线的弹性
部分和抗压强度，图4和图5给出了应变小于10%
时，不同试样的应力2应变曲线。由图4可见，面板
厚度对蜂窝的抗压强度影响很大，随面板厚度增加,
抗压强度迅速增大；夹芯厚度对抗压强度的影响相
对较小，夹芯厚度越小，抗压强度越高。图5表明,
胞壁厚度和压缩方向对面内压缩应力2应变曲线影
响不大。
3 计算与分析
利用弹性力学理论，可以导出蜂窝板受压时的
图3 试样L2的应力2应变曲线
Fig.3 The entire stress2strain curve for specimen N o.L2
等效弹性模量和抗压强度[1]。鉴于作者制备的普碳
钢蜂窝夹芯板试样的胞壁厚度较厚，故计算等效参
数时考虑了胞壁的作用。式1、式2给出了蜂窝夹
芯板的等效弹性模量，式3、式4给出了蜂窝夹芯板
的抗压强度。
・
2
・
图4 面板和夹芯厚度不同时试样的应力2应变曲线
Fig.4 Stress 2strain curves for specimens with different face
thicknesses and core
thicknesses
图5 胞壁厚度和压缩方向不同时试样的应力2应变曲线
Fig.5 Stress 2strain curves for specimens with different
cell w all thicknesses and compressive directions纺织材料与应用
E x =
2t f h +2t f +12ht 3w
(3a +2t w )(12a 2+5t 2w )(h +2t f )
・E 0(1)
E y =
2t f h +2t f +512ht 3w (3a +2t w )(h +2t f )(1152a 2t 2w +2187a 4
)
・E 0(2)
σe x =
2t f (3a +2t w )+2t w h (3a +2t w )(h +2t f )
・σs (3)σe y =6at f +2ht w
3a (h +2t f )
・σs
(4)
式中:E x 、E y 分别为沿x 和y 方向压缩时的弹性模
量;E 0为蜂窝母材的弹性模量,E 0=200GPa ;σe x 、σe y 为蜂窝沿x 和y 方向压缩时的抗压强度;σs 为蜂窝母
材的屈服强度，经过真空钎焊退火后σs =165MPa 。3.1 结构参数对等效弹性模量的影响
为减少参数个数，取无量刚参数θ=t w /a ,β=
t f
/h ，代入式1、式2，得:
E x =2θ1+2θ+12
β3(3+2β)(12+5β2)(1+2θ
)・E 0(5)E y =
2θ1+2θ+512β3
(3+2β)(1+2θ)(1152β2+2187)
・E 0(6)
由图6结合表1可见，由于压缩方向和参数θ
对等效弹性模量影响甚微，故沿x 方向压缩时θ=0.033～0.1的曲线与沿y 方向压缩时θ=0.067及
θ=0.1的曲线几乎重合在一起，说明构成θ的两个参数，即胞壁厚度和胞壁边长对蜂窝夹芯板面内压缩弹性模量的影响很小。由图6可见，参数β即面板厚度和夹芯厚度对等效弹性模量的影响较大，随β的增加而提高。说明沿面内方向压缩时，面板起主要承载作用，而夹芯主要是支承面板，增强面板的稳定性，提高面板的承载能力。因此，胞壁厚度和胞壁边长对弹性模量的影响很小。但当夹芯厚度减小时，蜂窝夹芯板承压面面积也随之大大减小，由此导致应力显著上升，弹性模量增大。此外，由图6可见，实测的数据(点)与计算值(曲线)符合得很好，相对误差不大于6.7%，说明利用贴片法测量蜂窝板的面内压缩弹性参数是可行的。但由于操作以及试样压缩端面平行度不高等原因，必然会产生测量误差。另外，如果试样压缩端面的平行度不高(试验中采用电火花线切割机切平承压面)，则压缩时很容易出现局部提前屈曲或整体侧向弯曲，导致测出的数据与实际值之间存在一定偏差。
图6 试样的等效弹性模量随参数β的变化
Fig.6 The dependency of equivalent Young ′s modulus on β
由图7结合表1可见，不带面板时，夹芯的泊松
比接近于1.0；带面板时，蜂窝板的泊松比大大减小，且随面板厚度的增加而减小。分析认为，不带面板时，夹芯几乎不能承受载荷，在较小的载荷作用下即产生弹塑性变形，变形很容易在x 和y 方向之间相互传递。有面板存在时，由于面板与夹芯之间的协调变形作用，夹芯的变形受到面板的约束作用，
变形在x 和y 方向之间的传递量大大减小。当面板相对胞壁厚度较小时，夹芯的横向延伸对面板的带动作用相对增大，致使泊松比增加。当面板相对胞壁厚度较大时，夹芯的横向延伸对面板的带动作用减弱，泊松比相对减小，若面板厚度相对于夹芯厚度无限增加，则蜂窝板趋于实体材料，其泊松比也将趋近于钎焊退火后Q215钢的泊松比。3.2 结构参数对抗压强度的影响
・
12・
图7 试样的泊松比随面板厚度的变化
Fig.7 The dependency of Possion′s ratio on face thickness t f
将无量刚参数θ=t w/a,β=t f/h代入式3、式4得:
σ
e x=2β(3+2θ)+2θ
(3+2θ)(1+2β)
・σs(7)
σ
e y=
6β+2θ
3(1+2β)
・σs(8)
由图8可见，抗压强度随参数β的增加而迅速增大，说明面板越厚，夹芯越薄，抗压强度越高。这从图4中也可看出，随面板厚度增加，抗压强度迅速增大(曲线L1、L2、L3、L4)；夹芯厚度越小，抗压强度越高(曲线L3、L5、L6)。结构参数θ对抗压强度的影响相对很小，这从图5也可看出胞壁厚度和压缩方向对面内压缩应力2应变曲线影响不大。分析认为，对不带面板的夹芯来说，承受面内压缩载荷的能力很低，夹芯的抗压强度约在0.5M Pa左右，只有夹芯板(带面板)的2%～3%，因此，夹芯胞壁厚度和边长的变化对整个蜂窝结构抗压强度的影响就很小(图9)。但夹芯可以支撑面板，可以防止面板受压失稳，从而提高面板的承载能力。因此，面板作为主要承载部件，它的厚度对抗压强度起决定作用。另外，当面板厚度一定时，夹芯越厚，受压面积越大，抗压强度就会越低。当采用面板厚度与夹芯厚度
孔捷生的比值β来衡量抗压强度时，二者的综合作用更加明显。此外试验值与计算值偏差比较大，相对误差达到0.6%～32%。导致误差的原因除了加载面平行度较低之外，可能还与个别试样的胞壁漏焊有关。当胞壁与面板之间的焊缝处存在漏点时，侧压时就会造成局部的提前屈曲，导致抗压强度降低。
4 结 论
普碳钢蜂窝夹芯板的面内压缩等效弹性模量的测量值与计算值之间的相对误差不大于6.7%；不带面板时，蜂窝芯子的泊松比接近于1.0；带面板时，蜂窝板的泊松比减小到0.33～0.39，且随面板厚度的增加而减小
，说明利用贴片法测量蜂窝夹芯板的面内压缩弹性参数是可行的，利用弹性力学理
图8 抗压强度随参数β的变化
Fig.8 The dependency of peak compressive strength onβ
图9 试样L1和L12的应力2应变曲线
Fig.9 Stress2strain for honeycomb core specimens
N o.L1and N o.L12
论推导的公式同样适合于蜂窝结构弹性常数的计算。抗压强度的实测值与计算值之间有较大误差，相对误差达到0.6%～32%，说明利用弹性力学理论推导的强度公式还存在一定误差。另外，普碳钢蜂窝夹芯板面内压缩时的等效弹性模量及抗压强度主要受面板和夹芯厚度影响较大，二者均随面板厚度的增加而增大，随夹芯厚度的增加而减小，受胞壁厚度和胞壁边长的影响很小。
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・
2
2
・
图5 试样4磨损表面SEM 形貌
Fig.5 SEM micrograph of w orn surface for specimen N o.4
试样3摩擦因数比纯POM 下降了47.2%，耐磨性
约为纯POM 的4倍；高岭土与P TFE 复合填充的试样4摩擦因数最小、耐磨性最好，其摩擦因数比纯POM 下降了53%，耐磨性为纯POM 的5倍。这表明同时填充适量的高岭土与P TFE 对POM 复合材料摩擦磨损性能的改善起到了协同作用。
LIBOR
(2)纯POM 的磨损机理表现为粘着磨损和磨粒磨损；而添加高岭土与P TFE 的POM 复合材料则以粘着磨损为主。
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84・陶克梅，等：聚四氟乙烯与超细高岭土填充聚甲醛复合材料的摩擦学性能
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