金属三明治板的制造技术Word下载.docx

1、3J圈i.i金三攀治板的结詢形式在金属三明治板设计中*上下面板的刚度和密度比较大，主矍承受 弯曲以及面内载荷，芯部刚度和密度较低”主要用来支據固定面板利传 通剪切我荷.研究表明金属三明措板具有重凰轻、比刚度大比强 度高.能量吸收强等特直，这些特点使三明治板崔解决轻量化的同时提 高了结构的安全性1此外，合理设计的三明冶板的结构.还可进一步带 来节省空间、噪音控制.传热性能改善和耐火曙忧点.采用三明泊板制 造的结构具冇以F优点,h，Hi D大减重约50%. 2）最大节省空间約50%： 3）减难减噪* 4）高的能呈吸收率* 5）绝热和防火J 6）站的强度和刚度， 7）抗冲击性能好彳8抗腐蚀性好；刃降

2、低制造和安装成本片W）极大降低 总体成本.金属三明治板的制造可以采用整体挤压的方法W Queheillalt等人 加热6061铝合金，当温度到482匸后挤压铝合金，这样可以制造具有整 体结构的铝合金三明治板；加上电火花加工方法，其芯部结构可以改变 和优化【1町这种整体制造的三明治结构的节点等强，但是此方法紧适合 用于低熔点金爛，制造成本高且缺乏结构设计的灵活性.从制造成本和晃活性方面考虑，金属三明治板的制造多采用芯板和 面板的连接方式Knox等人利用粘合剂连接面板和芯板制造了金属三明 治板Fung等人采用机械连接的方式将面板和芯板连接在一起“】： Wiernicki等人利用点焊的方法梅金属三明

3、治板的面板和芯板连接起来 ,71.然而，近年来随着激光焊接技术的发展.高功事的焊接技术逐渐成 为金展三明治板优先选用的制造技术山如图1.2所示，激光焊接制造 金屈三明治板的接头为搭接接头形式，悍接热源直接作用在面板上，使 作用区的面板材料熔透，进一步热的作用下，与面板搭按的芯板部分熔 化.使芯板和面板熔合在一起.利用这种深熔穿透焊缝，面板和芯板牢 固地连接在一起.高功率的激光束具有很强的能量密度，具有很强的熔 透能力，可实现制造金浪三明治板的焊接.激光焊接的优点还包括：焊 接速度高、过程稳定、热输入量小、应力及变形小、容易自动化等：激 光焊接是非接触的焊接方法，可以焊接可达性差的位置；激光焊接

4、方法 可以焊接破钢、离强钢、铝合金、不锈钢、钱合金:、铝合金、钛合金等 參种金属；通过调整焊接工艺参数，激光焊接可以控制焊缝的几何形貌. 熔深和熔宽.综合各种因素考他，激光焊接非常适用于金風三明治板中 芯板和面板的连接。图1.2金三明治板的厦光焊接制遣示:KBB美国海军对舰船的安全性高的轻型结构非常感兴趣，因为其能减少船体总质最、节约材料、提高腕船承穀能力和减少推进所需要的功衆. 美国海军于1988年启动了轻质结构焊接制造的项目.资助宾州大学应用 研究室激光焊接制造部门，对滋光焊接制造金属三明治板研究 ARL-Penn State致力于寻求可用的激光加工的安全性高的轻质结构.通过 该项目研制出

5、一种中空的新型安全性髙的夹层结构，即激光焊接V-core 三明洽板（Laser Beam Welded Corrugated Core Sandwich Panels）,简称 LASCORo之所以选择激光焊接是因为其热输入量少、结构的变形小、焊 接速度高以及能够实现穿透搭接焊接.LASCOR用于船体的上层建筑，减 少了船体的总靈量，降低了其眾心，提高了船体的稳定性.1994年， ARL-Penn State采用14KW C6激光焊接制造了 189原的316L不锈钢 LASCOR.并在旗舰U.S.S. W. Whitney LCC 20上的两个天线平台上使用； 与传统加强梁板相比蒐量减轻了 9t

6、 （约40%） l,B,.由于LASCOR自身良好 的强度和刚度.此夭线平台一宜使用至今并在其上面最近安装了其他设 备进入新世纪，芙国海军制造与维护研究所进行了 LASCOR板在V22 运綸机桥面板上使用的可行性研究，表明LASCOR板可提髙运输机的装我 能力W海军水面作战中心在高速海上运输技术发展计划和高速舰艇发 展技术中对LASCOR板在髙速观船的甲板、舱口盖、跳板、居住給室和施 室隔板筹上进行了可行性的研究.结果表明，在舰船中采用LASCOR板比 传统钢结构具有以下优点：1）节约朿就；2）制造和装配成本低：3）降级振 动：4）陽音：5）绝热防火；6）易于自动加工l，8-2C,.为了使LA

7、SCOR板得到 更广泛应用，更适合于舰船结构.美国NCEMT和LASCOR综合小组总结 T LASCOR板的使用情况，对LASCOR技术的实用进行了评估.针对 LASCOR板的应用和制造，2004年美国海军启动了新的ManTech LASCOR 研究计划，对LASCOR板的材料、激光焊接、加工、结构与防护性能进行 优化研究，目的是为美国海军新型航空母靓和驱逐舰利用LASCOR进行 基础研究和提供技术支持】.英国海军办公室、应用热科学、海军技术 中心和联合技术中心等机构参与了此项目通过此项目的基础和应用研 究，LASCOR技术已经在DSG1000的边塚甲板安全通道和人员防护板上的 到应用*同时L

8、ASCOR技术将在新型核动力航空母觌的舱室陽板、内甲板 和升降机门等部位.可减少熏就和降低成本门叫 签于Mantech LASCOR 研究项目对美国未来船笳制造的形响，获得了 200&年美园国防技术奖 W美国联邦髙速委员会也认识到了金属三明治板在减重、安全等方面 的优点，启动了金展三明治板在桥梁甲板上的应用研究项目1，21,研克了 Vcorc金属三明治板的激光焊接制造技术、强度和疲劳性能等。激光理接 制it T Duracor钢三明治板，运用实脸测试、数值分析和结构连接，表明 Duracor钢三明治板桥梁甲板较传统的桥梁甲板有更高的扭转刚度、剪切 刚度和疲劳强度.在欣洲.有关金属三明治板的研究

9、也在猿国、芬兰和英国等国家进 行.德国玛尔ift船厂在联邦後国教育与研究部的孤助下开展了金属三明 治板的激光焊接制造研究，并于1995年安装了首台金属三明治板构件激 光悍接生产样机，便激光焊接技术首次在船舶制造中得到了成功的应用 12.骨对I-core的三明拾板结构，德国玛尔造船厂发现激光焊接制造方法 是最佳化的.激光焊接具有离的生产率和低的线能量；因此将面板和芯 板连挟成強摩哥和变形小血耐用的氷久结构）.玛尔造船厂生产的I-core 金只三明治板目询已经在游轮和渡船的甲板和船能隔板上得到了应用. 激比焊接金凤三明治板和传统的加强板比较有以下优点：减轻重量达 50%.节省空间达50%,降低噪音

10、20%;提髙了防碰捕、耐腐蚀性、减蕊性 能和安全性：通过精确的预制降低制造成本，容易组装，通过板和接头 的模块制造可灵活运用.芬兰早在1988年就在赫尔辛基大学的船船实验室开展了有关金属三 明治板的研究工作，他们首先研究了三明治板结构在破冰船船壳结构中 应用的可能性。随后芬兰开展了 Shipyard 2000, Weld 2000和Kenno-Light Structures technology Program第由大学和企业共同参与的项目对金同三 明治板的制造、设计和优化进行了研究卩刃。针对运載工具中使用轻量化结构对节约资源和降低CO?排放的娶求. 欧盟与2000年启动了为期三年的SANDW

11、ICH大型欧盟研究项目，由8个欧 洲園凉（论国、挪成、瑞典、芬兰、荷兰、養国和慰夫利的12个研究 成员单位组成。研究通过加入不同的填充材料来进一步提高三明治板的 性能，以期望便金JH三明治板结构在更广泛的领域中应用，并希望开发 出基于金属三明治板构件的设计新思路审】通过该项目，挪威船级社建 立了金属三明治板的海洋工程应用捋南.2004-2005年，欧蚩进行 SAND.Core研究项目，目的趕促进金屈三明治板在汽车、饮路以及海洋运 输工业中得到应用hl.目前，金属三明治板已经在欧洲的运我工具、桥 集、建筑笹多个领域内得到了应用.1.3.2国内研究现状在国内.有关夹层板的已有大量的研究，有纤维加强

12、的夹层板、蜂 窝夹层板和泡沫铝夹层板等。国家973项目中冯正义等研究了多种夹层板 叫 范爱琴等研究了泡沫央芯复合板2叫 陈秀娣等研究了趙解铝蜂窝兴 层板卩】。但是对于全钢三明治板内目前还没有研究.激光焊接技术在国 内也得到了广泛关注，哈尔滨工业大学、北京工业大学、清华大学.华 中科技大学、西北工业大学、北京航空制造工程研究所、上海交通大学、 大连理工大学等高校和科研院所都有从事激光焊接制造技术研究，做出 了大8t卓有成效的研究业绩。但是，利用激光焊接制造全钢三明治板的 研究却鲜有报道。岳灿甫等人综述了国外用激光畀接波纹夹芯板的开发 和应用，并指出我国应该再了解和拿握国外发展水平的基础上、开发应

13、 用研究工作，在造船工业和屈军舰艇理造中采用这种先进结构，使其达 到新的性能水平卩* 辛锋先等人研究了轻质金属三明治板的隔声性能， 表明三明泊扳对垂宜入射声披的隔音效果最好，但他们的研宪是遅论研通常三明治板的设计过程分两部分.第一，借助于有限元模型分析 三明治板的弹性响应：第二，在禅性分析中的获得的应力和变形跟强度 准则比较，强度准则包括板的屈曲控制、临界我荷、临界位移和应力。 图4所示为三明治板的设计过程.1.4.1.1弹性响应在特运的载荷和边界条件下预测结构弹性响应的目的是确毘结构的 行为特性。在弹性分析中能获得Z方向的位移、X和Y方向的弯矩和剪 力.也能获得扭转刚度。位移、剪力和力矩在X

14、Y坐标中找示。通过剪 力和力矩能得到作用在三明治板横截面上的应力。然后用应力和位移跟 强度准则作比较.1.4.1.2极限强度和许用应力一般情况下极限强度和许用应力或戦荷的确定并不在弹性阶段，确 定许用我荷或者应力的唯一位置是板的横截面然而，在有些情况下弹 分析中的有些数据也用来确定许用载荷和应力值在金展三明治板的实 际应用中，应该注意到各种强度准则都有对应的安全系数，安全系数是 极限载荷与许用载荷的比值.1.4.2金JI三明治板的刚度I芯全钢三明治板的等效截面如阳1.3所示。横截面可以由五个独立的 参数定文：分别为人p. tt,人和如人其中为板的离度，p为支撑芯板中心之闾 的距离的一半，“为上面板厚度，“为下面板厚度，5为芯板厚度.除这 五个常数之外，还有芯板的高度札和两芯板中心之间的距离几局部坐标 系xyz的坐标原点位于中性轴上，*轴平行于支择芯板和整体坐标系的X 轴，y轴和z轴也平行于整体坐标系的Y轴和Z轴.三明治板在受到纵向载荷时，有5个独立的刚度参数，分别是弯曲 刚度Dx、Qy和以及剪切剛度Dq*和DQYo图1.4所示为这些刚度参数 及其内部剪力和力矩.这些参数的计算霸要知ifi X,Y方向的杨氏模量以图1.3 I芯全厨三明治板的局部坐标系