生物质基点阵夹芯结构的力学响应和优化设计

第1章绪论 点阵夹芯结构与其他传统夹层结构相比，集材料设计、结构设计与功能设计于一体，具有轻质、高强的特性，以金属和碳纤维等复合材料制备的点阵夹芯结构广泛应用于航空航天、国防军事、交通运输等领域。但这类材料的获取需要高昂的成本，且不具备绿色、低碳、可降解等优势。木材、竹材、灌木、农作物秸杆等是天然的生物质资源，且蓄积量大、分布广泛、价格低廉。应用先进的复合材料结构设计理论，制备轻质、高强的生物质基点阵夹芯结构工程材料，对于生物质资源的有效利用，以及大力发展低碳、环保的结构与建筑具有重要意义。 1.1生物质基点阵夹芯结构的研究背景 随着航空航天领域的快速发展，越来越多的学者将目光聚集在轻质、高强材料的研究上。点阵结构的概念自20世纪被提出以来，便作为轻质、高强材料的代表，受到国内外众多学者的关注。点阵结构主要由上、下面板和面板间有序周期性排列的杆件组成（Evans et al.，2001；Deshpande et al.，2001）。相比于传统的泡沫材料，点阵结构在空间上的排列更为规则有序，具有轻质、高强、芯层内部空间功能性设计等优势，是目前国际上公认的*具应用前景的轻质、强韧性材料（Sypeck，2005；Fan et al.，2010）。点阵结构芯层内部的大空间设计特性可以进行隔音、隔热、抗震等材料的填充，使结构在多种维度上发挥作用。点阵结构首先在航空航天领域提出并得以应用，由于可以有效减轻自重，在交通运输、土木工程建筑与结构中，点阵结构也具有广阔的应用前景（曾嵩等，2012；吴林志等，2012；范华林和杨卫，2007）。 1.1.1点阵夹芯结构的构型设计 点阵夹芯结构的设计主要集中在构型设计和尺寸设计上。合适的构型设计在增强结构力学性能的同时，还能够大大减少材料的浪费（Ashby and Brechet，2003；Evansetal.，2001）。目前，点阵结构的构型从空间角度可分为一维线型、二维平面型、三维立体型，在具体的形状上有直柱型（王兵，2009）、斜柱型（Lietal.，2020）、X型（Wang et al.，2018）、Kagome型（Fan et al.，2007）、金字塔型（Li et al.，2011）、圆柱型（Haoetal.，2017）等诸多类别，如图1-1所示。 除常规的构型设计外，研究者往往会根据具体的功能需求，在已有构型的基础上进行一些改动，如图1-2所示。Wang等（2018）设计的增强X型点阵结构，便是在原有X型点阵结构的基础上对其节点部位进行增强，使结构在压缩性能的表现上提高了将近13%；再如，相较于传统的金字塔型，Feng等（2016）通过焊接工艺将两个金字塔点阵结构顶端上下焊接成型的沙漏型点阵结构，其在平压下，抗屈曲性能约为前者的2倍。此外，点阵结构的设计者根据复合材料的设计理念制备了层级点阵结构（Sun et al.，2016；Yin et al.，2014；Yin et al.，2013；Xiong et al.，2012；Zheng et al.，2012），这些层级点阵结构相较于单一的点阵结构往往在力学性能上都有很大的提升。例如，Sun等（2016）设计的层级三角形点阵结构，是在原有三角形单胞的基础上，对其杆件进行二次的三角形单胞设计，相较于单一的三角形格栅，其平压性能提升了3/4。同样，在Yin等（2013）所设计的复合型层级金字塔型点阵结构中，也体现了这种设计理念。 1.1.2点阵夹芯结构的研究进展 1.金属材料点阵夹芯结构 点阵结构的研究从原材料的角度可以分为三个阶段，如图1-3所示。原材料的选取*开始集中在金属材料（Feng et al.，2017；Wadley，2006；Kooistraetal.，etal.，2004；Wang，2003），原因主要在于：金属材料本身具有足够的力学性能，且有关金属材料成型结构的工艺在工业领域已趋近成熟，技术手段繁多。例如，C6t6等（2006）进行的波纹菱形点阵结构的弯曲和压缩试验，其主要材料便选取304不锈钢；Zupan等（2004）使用316不锈钢作为原材料进行编制缠绕设计成型了菱形拓扑结构，并对结构在平压下的性能进行了详尽的分析与探讨；Queheillalt和Wadley（2005）通过模具工艺将原材料为304不锈钢的空心管排列焊接成型了菱形拓扑结构，并进行了详细的理论分析和参数设计探讨。但随着相关领域研究的日益成熟，金属材料本身所具备较高自重的特点及其在工艺上无法实现面板与芯层间完美结合的缺陷已无法满足工艺发展的要求（Wadley et al.，2003）。 2.复合材料点阵夹芯结构 随着复合材料领域研究的深入，其可设计性大大吸引了点阵结构领域研究者的目光。将复合材料应用到点阵结构的制备中，既拓宽了点阵结构原材料的选取范围，同时，由于原材料变化所带来的成型工艺的改变，又能够较好地解决传统金属基点阵结构在成型工艺上的缺陷。在此阶段，国内哈尔滨工业大学吴林志教授课题组（王东炜，2020；许国栋，2017；张国旗，2014；熊健，2013；王兵，2009）以及南京航空航天大学范华林教授课题组（Jiang et al.，2017；Han et al.，2015；Lai et al.，2015）在碳纤维等复合材料点阵结构成型工艺及结构性能的探索上做出了卓越的贡献。例如，吴林志教授课题组的殷莎率先利用模具热压工艺制备了碳纤维复合空心金字塔型点阵结构，很好地解决了面芯结合薄弱的问题，同时使结构整体在能量吸收、比强度、比刚度等性能指标上都有很大的提升（殷莎，2013）。范华林教授课题组的Li和Fan（2018）利用二次模压固化工艺成型的碳纤维复合材料加筋圆筒壳在承受轴向压缩载荷下也有不俗的表现。 3.生物质基点阵夹芯结构 人类社会的飞速发展对地球的自然生态环境造成了不可逆转的影响，也使得人们认识到工业生产与自然环境相协调的重要性。《联合国气候变化框架公约》《巴黎协定》等国际公约的制定（陈夏娟，2020；陈敏鹏2020），推进了全球保护生态环境、节能减排的战略方针。国内外专家学者也把研究目光投向了生物质可再生资源（Fiore et al.，2017；Hassanin et al.，2016；黄国红和谌凡更，2015；方海等，2009）。生物质资源本身具有绿色、环保、价格低廉、可再生等优势，因此，拓宽生物质资源应用范围，进行生物质基复合工程材料的研究与应用具有重要的社会意义和应用价值（Jiang et al.，2018；Li et al.，2016；何敏娟等，2008）。其中，采用生物质材料制备的点阵夹芯结构受到人们的关注。 本书从生物质基复合工程材料设计的角度出发，结合点阵结构的设计理念，分析了生物质基（木质材料和黄麻纤维增强环氧树脂）点阵夹芯结构的制备方法，并对其力学性能进行理论、试验与仿真建模研究。 1.2生物质基工程材料的研究与应用 生物质材料是一种天然聚合物，主要由碳、氢、氧三种化学元素组成，来源于动植物及微生物等生命体。生物质材料易被自然界的微生物降解为水、二氧化碳和其他小分子，其降解产物可以再次进入自然界循环。因此，生物质材料具备可再生与可生物降解的重要特征。常见的生物质材料主要有木材、稻秆、竹材、树皮、纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、蛋白质、甲壳素等（邸明伟和高振华，2010）。 1.2.1木质工程材料 木质资源储蓄量大、价格低廉，同时具有较高的比强度、突出的隔热吸音作用、良好的抗震性能、自然美观的纹理等优点（Jiang et al.，2018；Li et al.，2016；徐守乐，2004；李坚，2001），是与人类关系密切、与环境发展协调的建筑和结构材料。研究表明，相同面积的建筑结构，木结构消耗的能量约为混凝土建筑的45%、钢结构建筑的65%、木结构的二氧化碳排放量约为混凝土的66%、钢结构的81%（何敏娟等，2008）。从古至今，人们都在不断发掘木材在建筑与结构上的应用。 木质工程材料是指应用现代加工技术将木质资源制备成力学性能可设计、可预测、可评价的结构用材料（王静，2012），其应用广泛，包含的名称和种类也很多。从原木结构到力学性能稳定、承载能力强的单板层积材与结构用集成材（陈剑平和张建辉，2012；张言海，2001），从节能实用的轻型木桁架（陆磊，2016）、木工字梁等到芯层可设计的木质夹芯结构（任雪莹，2020；Iejavs and Spulle，2016），无不体现着木结构时代的飞速发展与工业生产力的进步。几种常见木质工程材料特性对比如表1-1所示。 其中，集成材、胶合材、木桁架等结构都具有承载力较大、刚度均匀可靠、重量轻等优点，在一定程度上避免了木材本身的天然缺陷，拓宽了木材的应用范围，提高了木材的使用效率，是国际上建筑模板体系中通用的重要部件，但存在材料自重大、制备过程复杂、成本高等缺点，在一些要求结构材料功能多、强度高、自重轻的应用场合，无法与其他钢材、复合材料等竞争（Jin et al.，2015）。 木质资源的自然属性，如生长周期长、各向异性、天然的节疤等，不利于人们对木质材料的充分利用。夹芯结构由于面板相对较薄，降低了对木材厚度的要求，可充分利用小径材、速生材等木质资源，在民用建筑与结构中发挥着重要作用。夹芯结构的芯层作用是降低结构质量，增加上、下面板间的截面惯性矩，从而提高结构的弯曲刚度。面板粘接在芯层外表面，实现载荷在面板与芯层之间的传递。面板承受拉压变形，芯层抵抗面内弯曲和横向剪切变形（王雪，2020）。 夹芯结构的面板与芯层的材料属性对结构的力学性能有很大影响，采用夹芯结构设计，在减轻结构质量的同时，部分力学性能比实体结构更优异（Sargianis et al.，2013；Manalo et al.，2010）。夹芯结构的面板有实木板、胶合板、密度板等；也有用增强材料制备而成的。木质夹芯结构的芯层多采用蜂窝结构、格栅结构、泡沫材料或轻质的木质板材（Li et al.，2016；Chen et al.，2014；Fernandez-Cabo et al.，2011；Kepler，2011）。这些结构设计虽然能降低自重，但也存在一些弊端，如泡沫结构是以弯曲为主导的材料，受到外力作用时，其弯曲强度较低（Rizov et al.，2005；Li et al.，2014）。常见的蜂窝夹芯结构具有比强度、比刚度高的特点，但内部空间封闭，不利于结构的多功能性设计（Pan et al.，2008）。因此，进行新形式的木质夹芯结构设计具有重要实际意义和应用价值。 1.2.2黄麻纤维增强高分子聚合物 我国农作物资源丰富，棉、麻等草本植物分布广、产量大。黄麻的生长主要集中在亚热带到热带区域，来源广泛、原料丰富，种植面积和产量仅次于棉花。黄麻纤维取材方便，价格低廉，早在我国古代，就作为麻袋的主要原料，制作粗加工产品。随着现代纺织技术的飞速发展，对黄麻纤维进行各种改性处理，能够制得不同功能的黄麻纤维。黄麻与其他麻类物质一样，属于韧皮纤维素纤维，具有染色性好、抑菌、力学性能好、廉价、可生物降解等优异特性（张小英，2004）。但黄麻纤维中的木质素和杂质含量相对较高，可纺性差，通常用于制作装饰用布、工作服、汽车用布、鞋类用布以及地毯等用品（郭亚和孙晓婷，2016）。黄麻纤维自身往往不具备直接设计成型的潜力，常常是将其作为增强体材料，对一些高分子聚合物基体进行增强来达到实际应用的要求。 例如，在汽车制造领域，周勇等（2016）以黄麻纤维、皮芯结构的4080聚酯