復(fù)合夾芯大板式方艙的失效模式分析

蔡旭東，李 凱，王亮平

（中國航天科工集團(tuán)第六研究院二一〇所，陜西 西安710065）

0 引言

方艙是一種應(yīng)用在特殊環(huán)境下的特種車廂，最初應(yīng)用于美軍，配備有載車，具有較高的機(jī)動性能，可根據(jù)不同需求，在內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，被廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療、檢測、試驗、應(yīng)急搶險救災(zāi)、野營生活等多個領(lǐng)域。因其具備良好的機(jī)動性能和快速響應(yīng)能力，作為武器裝備、指揮通訊中心和后勤保障裝備的主要載體，近年來在軍事領(lǐng)域獲得了長足發(fā)展。

我國的方艙結(jié)構(gòu)從最初的骨架式，逐漸發(fā)展成為復(fù)合夾芯大板式。骨架式方艙是先焊接一個方艙完整的骨架，然后在骨架上加裝內(nèi)、外蒙皮并填充芯材，骨架是主要承力結(jié)構(gòu)，內(nèi)外蒙皮以及芯材幾乎不具有剛強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。目前國內(nèi)大量生產(chǎn)的均為復(fù)合夾芯大板式方艙，一般由6～8塊復(fù)合夾芯大板拼接而成，每塊大板為加強(qiáng)梁—夾芯層合大板，這種結(jié)構(gòu)具有比重量輕、比剛度大、比強(qiáng)度高、隔熱保溫和電磁屏蔽好等許多優(yōu)點。近年來，因為復(fù)合材料的強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗腐蝕能力強(qiáng)等性能，如玻璃鋼、蜂窩芯等已被應(yīng)用于各種方艙的復(fù)合夾芯大板中。

然而，這種復(fù)合夾芯大板是由幾種不同性能的材料組成的復(fù)合件，且方艙會經(jīng)受高溫、高濕、越野路面運輸、吊裝等多種惡劣的工況環(huán)境，方艙大板內(nèi)部極其容易發(fā)生損傷、失效甚至破壞。本文結(jié)合研制、生產(chǎn)、試驗以及多年的售后維修情況，分析了復(fù)合材料大板式方艙的幾種主要的失效模式，從而利于采取相應(yīng)措施，防止各種損傷破壞，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 方艙的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性

復(fù)合夾芯大板式方艙是由大板、角形件、角件等通過緊固件、膠粘劑等，經(jīng)過特殊工藝處理固連在一起而形成的。復(fù)合夾芯大板是由內(nèi)外蒙皮、芯材、加強(qiáng)梁和隔熱木條組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。蒙皮一般比較薄（厚度為1～2 mm），通常為金屬或者玻璃鋼等復(fù)合材料；芯材較厚（厚度為50 mm），多為聚氨酯泡沫或者蜂窩芯；加強(qiáng)梁多為方鋁管或結(jié)構(gòu)鋼。蒙皮與芯材、加強(qiáng)梁緊密粘接而成為整體，蒙皮對芯材具有保護(hù)作用，使其避免受機(jī)械損傷，防止風(fēng)化，隔離水與蒸汽，且防火、防腐蝕；芯材將上下兩個蒙皮連接成整體，共同承受荷載，具有抗振、隔熱、隔音的作用。復(fù)合夾芯大板式方艙主要有以下幾方面的力學(xué)性能。

圖1 方艙大板的結(jié)構(gòu)圖

（1）內(nèi)外蒙皮主要承受彎曲變形引起的正應(yīng)力；芯材和膠接層主要承受剪應(yīng)力。

（2）在外部載荷作用下，芯材很容易發(fā)生剪切變形，不能忽略芯材的剪切應(yīng)變。

（3）在外部載荷作用下，蒙皮會發(fā)生屈曲，此時芯材對蒙皮有支撐作用，增加蒙皮抵抗屈曲的能力，避免蒙皮的局部失穩(wěn)。

（4）芯材的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量及剪切模量等）與材料密度有關(guān)。

（5）芯材具有很好的絕熱性能，當(dāng)外表面承受強(qiáng)烈的太陽輻射或處在寒冷氣候中，而內(nèi)表面保持環(huán)境溫度，大板的內(nèi)外表面將產(chǎn)生很大的溫度差，引起明顯的變形，即所謂的熱彎曲，但方艙角件會對大板產(chǎn)生抵抗熱彎曲的反力，會使大板內(nèi)部應(yīng)力環(huán)境惡劣。

（6）方艙大板在連接載荷和設(shè)備自重的作用下，大板內(nèi)的芯材會產(chǎn)生徐變，將引起大板內(nèi)力和變形的變化。

2 方艙大板的失效模式

根據(jù)方艙大板的力學(xué)特性，在方艙的研制、生產(chǎn)、試驗、轉(zhuǎn)運和使用過程中容易出現(xiàn)的各種損傷失效模式有以下幾種：

2.1 彎剪聯(lián)合屈曲失穩(wěn)

在彎剪聯(lián)合作用下，方艙的大板會出現(xiàn)如圖2所示的破壞方式。比如：方艙底板負(fù)荷過重，吊裝時，底板受到和地面相垂直的作用力，大板既受彎又受剪，就會出現(xiàn)這樣的失穩(wěn)。如果設(shè)計不合理，面板、芯材厚度不夠，或者芯材的抗剪剛度不夠，使大板整體彎曲剛度不夠，便會造成這樣的破壞[1]。

圖2 彎剪聯(lián)合屈曲失穩(wěn)模式

2.2 蒙皮屈曲失穩(wěn)

2.2.1 蒙皮屈曲失穩(wěn)模式

（1）金屬蒙皮向外凸出模式：大板表面鼓包現(xiàn)象就是這種破壞方式，其發(fā)生的原因是夾芯垂向抗壓及抗剪剛度不夠或面板固有剛度不夠，或是面板和夾芯粘接不牢而脫層引起的，如圖3（a）所示。

國內(nèi)方艙大板的生產(chǎn)主要采用澆注發(fā)泡法和粘泡法。相對于粘泡法，發(fā)泡法有較多的因素更容易發(fā)生鼓包，主要表現(xiàn)在：

1）發(fā)泡法容易在蒙皮和芯材的界面、門窗的死角形成縫隙，在發(fā)泡過程中，模溫溫度較高，發(fā)泡時的壓力會使縫隙內(nèi)的空氣產(chǎn)生壓力，當(dāng)發(fā)完泡卸模后，壓力松弛，蒙皮被擠壓在縫隙內(nèi)的氣體頂起而鼓包。這種鼓包在高溫天氣或者太陽輻射強(qiáng)時，會更加惡劣。

2）芯材與蒙皮的粘接力不一致，隨著發(fā)泡時間的增加，泡沫由于粘度逐漸增加，與蒙皮的粘接力逐漸減小[2]。

3）澆注發(fā)泡生產(chǎn)的大板，可能存在著二次發(fā)泡的可能。

（2）金屬蒙皮向內(nèi)凹陷模式：是由于蒙皮的強(qiáng)度不夠或者芯材的壓縮強(qiáng)度太小，芯材被壓碎，如圖3（b）所示。

圖3 面板屈曲失穩(wěn)

2.2.2 蒙皮屈曲的力學(xué)分析

（1）大板彎曲載荷下的屈曲應(yīng)力

方艙大板承受彎曲載荷作用時，受壓一面的蒙皮會出現(xiàn)皺紋，并隨著載荷的增加和持續(xù)時間的增長而變大。當(dāng)皺紋增大到芯材無法支承時，皺紋會發(fā)生失穩(wěn)，大板發(fā)生屈曲破壞。 將芯材的支承視為豎向位移按指數(shù)衰減的彈性半空間，用最小能量法，得到方艙大板發(fā)生彈性屈曲時，臨界應(yīng)力為：

Ec為芯材的彈性模量；Gc為芯材的剪切模量（受壓）；Ef為蒙皮的彈性模量；系數(shù)0.65是由芯材材料泊松比所決定的常數(shù)，并通過經(jīng)驗降低系數(shù)修正所得[3]。

從公式1可以看出，屈曲應(yīng)力與蒙皮的厚度無關(guān)，取決于蒙皮與芯材的力學(xué)特性。因此，這種屈曲破壞通常是向內(nèi)皺折的。

（2）芯材和粘接層受剪破壞

當(dāng)方艙大板彎曲變形時，芯材和粘接層內(nèi)存在剪應(yīng)力，蒙皮和芯材之間的粘接力以及芯材層內(nèi)的剪力必須大于外荷載引起的縱向剪力。在實際情況中，芯材層和粘接層是同時受剪的，當(dāng)有外部載荷作用時，往往并沒有達(dá)到粘接層或者芯材的最大剪應(yīng)力時，就已經(jīng)發(fā)生破壞了。

（3）芯材壓碎破壞

當(dāng)方艙角件對大板產(chǎn)生緊固約束或大板局部承受集中載荷時，當(dāng)芯材承受的載荷超過芯材的抗壓強(qiáng)度時，芯材會被壓碎。設(shè)計時，可以忽略蒙皮的抗彎剛度，按45°擴(kuò)散角，校核芯材的壓縮強(qiáng)度。

2.3 反對稱翹曲失穩(wěn)

反對稱翹曲失穩(wěn)發(fā)生的原因是芯材層垂向抗壓及抗剪剛度不夠，或者蒙皮固有抗彎剛度不夠。如圖4所示。

圖4 反對稱翹曲失穩(wěn)

2.4 芯格內(nèi)蒙皮凹陷

大板發(fā)生芯格內(nèi)的蒙皮凹陷主要是由于芯格的尺寸過大或者蒙皮的厚度太小引起的[1]，這種失效模式可能會促使蒙皮屈曲失穩(wěn)的發(fā)生。

圖5 芯格內(nèi)蒙皮凹陷

2.5 連接件的破壞

方艙內(nèi)外包含大量的連接件用來固定設(shè)備和方艙本身，連接件的破壞會對方艙大板存在極大的影響，主要表現(xiàn)為三種形式：連接件由于拉力作用被拔出、連接件受剪發(fā)生傾斜、大板本身變形造成連接件破壞。第一種形式的破壞常見于方艙外部受風(fēng)載過大或艙內(nèi)設(shè)備的動載過大，設(shè)計時需要校核極限狀態(tài)下連接件的抗拉強(qiáng)度；第二種破壞常發(fā)生于方艙溫度載荷變化的情況，大板內(nèi)外表面的溫度差常常會引起連接件出現(xiàn)側(cè)向剪切變形；第三種破壞是當(dāng)大板在外載荷作用下發(fā)生變形、撕裂對連接件造成破壞，從而引起大板破壞的加劇。

2.6 密封失效

方艙在制造和長期的使用過程中，或者存放于高溫高濕的環(huán)境中，密封失效是方艙一種很常見的失效模式，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）方艙密封條在使用過程中老化或者硬化，失去密封效果。

（2）方艙在制造過程中，大板之間連接密封存在缺陷。

（3）方艙角件與大板連接處存在應(yīng)力變形，從而造成密封失效。

（4）密封膠固化萎縮、鉚釘處存在縫隙、鉚釘孔未封堵、點焊銹蝕均會影響密封效果，甚至漏雨，引發(fā)大板破壞。

3 結(jié)束語

本文針對復(fù)合夾芯大板式方艙的結(jié)構(gòu)特性，闡述了復(fù)合夾芯大板可能出現(xiàn)的各種失效模式，對產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并給出了簡單常用的校核方法。通過對復(fù)合夾芯大板式方艙失效模式的分析，可幫助提高方艙的可靠性，在設(shè)計上、工藝上及管理上采取相應(yīng)措施，制定詳細(xì)的過程控制規(guī)范，防止方艙出現(xiàn)損傷破壞，從而確保產(chǎn)品的質(zhì)量。