CN1295075C - 复合材料结构层板的结构 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料结构层板构件包含两块外金属层板，其中间有一结构和一跟外金属层板连接并填充其间未被该结构占据空间的弹性体层，该结构可为泡沫材料，且同金属层板部分地接触。

Description

复合材料结构层板的结构
本发明涉及一种复合材料结构夹心层板的结构，特别涉及宜于制造航海和土木结构或元件的结构，传统上此种结构和元件使用强化钢板或金属板。
在类如船壳或桥台的用途方面，构成此种结构的钢板通常均需增强，以提高其刚度和强度，从而避免板材局部翘曲变形。该强化件可能包括冷成形的板或冷轧的型材，将其十字交叉地焊接到主要的承载板材上。这些强化件一般等间隔布置，朝向一个或两个和主板平面尺寸并齐的方向。其数量、尺寸、位置和型式取决于用途和结构物必须承受的力。使用强化件需要焊接，因而使制造过程复杂化，且增加重量。强化件及其和主板的连接或和其他主框架件的交叉常成为疲劳和腐蚀问题的源泉。由于连接强化件而造成的复杂的拥挤的结构物常常难于维护和提供充分的腐蚀保护。
例如从US 4,698,278中知道，可将具有良好隔声和隔热性能的泡沫金属层板用于包复建筑物或做建筑物的屋顶。此种层板一般使用泡沫材料或纤维材料。不能指望该材料-该材料亦不能承受显著超过其自重的大载荷以及由局部风雪作用造成的小载荷。由于不能承受这些载荷，所以研究过将钢-聚氨脂泡沫钢夹心材料用在船的壳体上。结论是此种夹心构件不适用，因为其连接强度不足以向强化板结构物提供承受施加载荷所需要的等效平面刚度或横向刚度以及强度。
GB-A-2 337 022公开了使用中间层，该中间层由位于第一金属层板和第二金属层板之间，且和该两层板内表面粘接的弹性体构成。
本发明提出一种结构用层板构件，其包含：
一块具有第一内表面和第一外表面的第一金属层板；
一块具有第二内表面和第二外表面的第二金属层板，该第二金属层板和所述第一金属层板互相隔开；
一个位于所述第一内表面和第二内表面之间的结构，至少同所述第一和第二金属层板之一部分地接触。
一层由弹性体构成的中间层，其位于所述第一和第二内表面之间未被所述结构占据的空间内，且同所述第一和第二内表面粘接在一起。
该第一和第二金属层板可被视为该构件的面板。它们不一定需要平行，同时其间隔和形状也可以变化，以便提供合适的或可能最好的结构特性。
本发明的结构用层板构件和先有技术相比，其平均密度较低，在类如船舶或桥台，或者在重量问题突出，需要取消金属层板间的焊接以降低成本与减轻不同金属连接问题的用途方面特别适用。此外，由于有一个空心的结构，因而极易在内部通过层板敷设线路或管路。和传统的强化钢板相比，此种结构形式提供了等效的平面刚度和横向刚度以及强度，减轻疲劳问题，将应力集中减至最小，改进隔热和隔声以及提供振动控制。该层板提供一种起防裂层作用的结构系统，它能将两种不同的金属连接在一起，无需焊接，或者不会造成原电池效应。
该结构视为不承受载荷，仅仅使形状、间隔和由尺寸规定的体积精确化。体积内的弹性体芯并不要求具有结构特性。未被结构占据的空间由弹性体充填。金属板之间的弹性体的数量、形状和分布决定于用途，应设计得和金属面板成为一个整体来承受复合材料结构用层板可能承受的全部力量。在弹性体和金属板之间应有充分的连接面积，以便传递所受剪切力。在某些用途中，中间金属板或型材的焊接可以省去。此外，中间层的设计及其材料特性(例如屈服限、模量、延展性、硬度、回弹性、传热传声性能、缓冲和振动特性)能提供某一用途所要求的结构特性。例如在重视抗冲击载荷能力和吸收能量能力的场合，中间层的设计应促进金属面板内应变的分散和非弹性膜片的作用以及增加抗穿刺性。
本发明实施例可以包括埋入和同中间层连接的金属板或型材，以便增加剪切刚度、弯曲刚度和横向刚度，并提高载荷分布性。根据载荷和结构要求选择它们的位置、尺寸和数量。板或型材的方向可以为纵向或横向，亦可为两者的组合。按此方式提供的附加刚度有利于无需在金属板上焊接额外的板或型材。通过(主要的)弹性体和(次要的)结构同金属板或型材之间的连接实现金属板或型材和金属层板之间的剪切力传递。
本发明提供一种制造结构用层板构件的方法，其步骤包括：
按照互相隔开的关系提供第一和第二层板，在两块板之间规定的中心空腔内有结构部分地同两块金属板接触，所述结构部分地充填所述中心空腔；
将未固化的弹性体浇注入所述中心空腔内；
使所述弹性体固化，从而使其同所述金属层板粘接在一起。
同金属层板接触的结构能使层板易于按照所要求的尺寸精度装配起来。
以下将参照附图介绍本发明的实施例，其中：
图1为一本发明复合材料结构用层板构件的横断面示意图，图中表示出几种不同的结构；
图2为本发明同一复合材料结构用层板结构的纵断面；
图3为本发明第二实施例的横断面视图；
图4为本发明弯曲断面第三实施例的横断面视图；
图5为本发明第四实施例的横断面视图。
各图中，相同零件用相同数字表示。
图1为本发明层板构件的横断面视图。该层板构件包含一块第一外层板1，一个结构10，一层中间层20和一块第二外层板2。该结构10可以在区域15内部分地同外层板1和2接触。该中间层20同第一和第二外层板1和2中的每块板连接，其连接强度足以传递外层板间的剪切载荷，从而形成一个能够承受显著高于自重的载荷的复合材料结构用构件。
该层板构件所能承受确切的载荷取决于该层板构件的用途。该结构10的体积和中间层20的体积之比按照所要求的物理性能选择。此种物理性能可以包括强度、刚度或密度。
结构10包含几个用连接体12连接起来的子区11(sub-section)。子区11的形状一般相同，间隔均匀，如平面形断面或弯曲形断面的图3或4所示。该连接体12虽非必须平行于金属层板1，2，但一般均如此。该连接体12的最大横断面一般较子区11的小。最好将几个子区11和连接体12制成一个整体。结构10可以沿着子区11的整条边或在定位窝(alignment dimple)13上同第一和第二外层板1，2接触。在后一情况下，中间层20同第一和第二层板连接的表面面积较大。
从第一外层板1到第二外层板2的路径最好连续贯通并避开该结构10。更好的情况是从第一外层板(面板)1到第二外层板(面板)2的路径贯通笔直，避开结构10，最好垂直于第一和第二外层板。结构的形状应使弹性体在金属面板上有额外的连接面积。例如构件的横断面呈现一系列爱奥尼亚柱(Ionic column)状的弹性体肋。
结构10可以用例如聚氨脂(PU)泡沫材料等的任何型式轻质泡沫材料制造。该泡沫材料不和金属层板1，2起反应，或者不和弹性体起反应。优先的泡沫材料是一种聚丙烯半固态泡沫材料，其密度大于20kg/m3。泡沫材料最好有充足的硬度，方不致轻易地被金属层板1，2或中间层20压缩。结构10可以为特定的用途而浇注成形，或者具有一致的规定厚度，以便为了适配而进行裁切。在单块外层板中间可以相邻安放数个结构。其他实施例用类如木材和由冷轧薄钢板制成的盒子代替结构。这些结构的功能相同，并具有和前述结构10类似的性质。这些结构也能增加剪切刚度和弯曲刚度。
由图3或图4可知，该结构10可能包含一排按规定间隔连接起来的有规则子区。按此方式制造的结构层板构件的整体性能均匀一致。要么，如图1所示，子区的尺寸、形状和间隔是变化的。该连接体12也不一定要求间隔均匀。可以选用任意形状的子区11，甚至是空心的亦未始不可。具体的形状变化按照特定场合该构件所要求的物理性能决定。如果是空心的连接体12或空心的细长子区11，则可以在内部敷设线路或管路。
结构10的功能不在于其承载能力，而在于当第一内表面4和第二内表面6之间的空间内，不需要弹性体20的全部承载能力时，这是一个在中间层20内制造空腔的便利方法。用此方法，给定结构构件的密度能大大减小。此外，空腔在该结构用层板构件内的位置还可以精确地控制，从而使第一内表面4和第二内表面6之间的距离尺寸精度也得以增加。
第一外层板1包含第一外表面3和第一内表面4。同样，第二外层板2包含第二外表面5和第二内表面6。第一内表面4和第二内表面6之间的间隔在约20～250mm范围内。如果取最小值，则第一和第二外层板的厚度将为2～约25mm范围内，中间层为20mm。在使用该构件的环境里和在最大预期温度下，中间层的弹性模量E最好至少为250MPa，如果是275MPa则更好。用于建造船舶时，此温度可能为100℃。该弹性体的刚性不宜太强，所以当用于建造船舶时，在最低予计温度为-40或-45℃时，E值应低于5000MPa。
如果在特定用途中要求额外的剪切刚度或弯曲刚度时，则金属板或轧制型材可以和结构或弹性体浇注成或连接成一个整体。位置、尺寸和数量根据载荷和结构要求选定。板或型材的方向可为纵向或横向，或两者之结合。
应该最大限度地提高弹性体的撕裂强度、压缩强度、拉伸强度及其延伸率，从而使复合材料层板构件能够吸收类如冲击等非常态载荷情况下的能量。特别是弹性体的压缩强度和拉伸强度至少应为2，最好为20MPa，如果是40MPa更好。当然，压缩强度和拉伸强度可以大大高于此最小值。
图5亦本发明的另一实施例，其中在第一和第二外层板1，2之间，有附加的金属承载件或抗剪切板60伸展。抗剪切板60可为连续的，亦可如图5所示带冲孔61的，后者可使注射的中间层20自由流动，而在固化后能增加中间层20和抗剪切板60之间的荷载(机械结合)力。冲孔板使构件的刚度提高，抑制细长化，重量较轻。抗剪切板60最好如图5所示位于子区11的一旁。这些子区11最好基本上沿着构件的全长伸展，从而使中间层形成多个互相隔开的细长肋。抗剪切板60便和这些细长肋之一连接在一起。剪切力通过连接(粘接或机械连接)传递到抗剪切板60上，提供所要求的弯曲刚度。
金属层板1，2最好为结构钢。在减重，抗蚀、惰性或其他特殊性能成为关注重点的特定场合，亦可为铝、不锈钢或其他结构用合金。该金属的最低屈服限最好为240MPa，延伸率至少为20％。在许多场合-特别是造船场合，金属具有可焊性是极重要的。
金属层板1，2可以采用不同的金属，以便提供不同的功能。例如当要求一定强度和低成本时，可采用低碳钢；当要求一定强度和抗化学侵蚀性时，可采用不锈钢；又当要求重量轻，刚度和强度好时，可采用铝。
弹性体在最低工作温度下的延展性必须高于约为20％的金属层板。在最低工作温度下，弹性体的延展性优先值为50％。弹性体的温度系数必须充分接近钢的温度系数，从而使予计工作区间内在焊接时的温度变化不致引起剥离。两种材料温度系数的差异程度部分地取决于弹性体的弹性，但据信弹性体的热膨胀系数约为金属层板的10倍。热膨胀系数可以用在弹性体中加填充剂的方法予以控制。
在弹性体和金属层板之间的连接强度在整个工作温度区间内至少应为1MPa，最好为6MPa。这一点最好通过弹性体对钢的固有粘合性达到，但是也可以使用额外的粘结剂。
如果该构件用于造船，则额外要求包括：整个界面上的拉伸强度必须足以承受予计的负液体静压力和脱离同钢连接的力。结构和弹性体对海水和淡水都应具有电解稳定性。如果该构件用于运油船内，还必须具有对油的化学稳定性。
因此，弹性体基本上包含一种结合异氰酸盐或二异氰酸盐的多元醇(例如聚脂或聚醚)、增链剂和填充剂。如果必需，可加填充剂以降低中间层的温度系数，减少成本，要么控制弹性体的物理性能。另外还可包含例如控制疏水性或粘接的添加剂，也可包含阻燃剂。
结构10和中间层20可以是暴露(开放)的，亦可为封闭的。在结构10和中间层20的材料暴露的场合，以及希望尽量减少焊接，甚至取消焊接的场合，中间层材料必须具有额外要求的板间抗剪切性，同时还必须具有抗环境影响性(如抗紫外线性)。暴露材料还可能要求额外的添加剂，以提高防火性。
整个外层板厚度和弹性体厚度之比((T1+T3)/T2)一般在0.1～2.5范围内。弹性体最好密实，例如其容纳的空气按体积计应小于约25％。
为了装饰或防蚀目的，可以在层板制造前或后，在金属层板的外表面上进行涂层。为了保护暴露的弹性体，亦可采用其他的涂层。
本发明构件的强度和刚度大大高于用同样总厚度的金属，但无中间层制造的构件。这是因为该构件的性能类如箱形截面的梁或中间层起着腹板作用的工字梁。为了起这样的作用，中间层本身和其同外层板连接的强度必须足以传递该构件使用中可能产生的力。
本发明的其他优点-特别是建造船桥时的优点是中间层起阻止裂纹在内、外层板之间传播的作用。中间层的弹性有助于防止现有裂纹传播或生长。该复合材料结构用层板构件在支点上或沿着载荷的边缘以较大半径进行弯曲，分散了弯曲应变，减少了相应的应力集中和形成蠕变裂纹的可能性。
本发明层板构件的优先制造方法是将两块金属板1，2按互相隔开的关系放置，将结构10置于此两块板1，2的中间并使其同两块板1，2接触。按此方式，两层板之间的间隔便由结构10的尺寸决定。中间层20的弹性体(一般在压力下)直接浇或注入由两块金属板1和2形成，且未被结构10占据的剩余空腔。结构可以用粘结剂同钢板连接。该粘结剂的化合物应具有相应的弹性，同时其强度足以在注射过程中和在弹性体充分固化前使板固定不动。
在浇注时，板1，2可以倾斜，甚至直立以帮助弹性体流动，但是浇注时的弹性体静压头不宜过大，而排出空气的流动亦应最优化。板亦可固定在结构物内，当场充填弹性体。
为了将该构件焊到其他构件或一个现成的结构物上，必须在其周围留出足够的焊接范围，以保证弹性体及其同钢板的连接不致由于焊接热而损坏。隔离带的宽度取决于弹性体的耐热性和所使用的焊接技术，但可约为75mm。如果弹性体是浇注到板中间的，则焊接隔离带必须由活动的或浇注入位的细长隔离片规定。
注射口和通气口的必需数量取决于：在产生的飞边最小-理想情况无飞边条件下泵送弹性体组份的现有设备；充填的体积、方向和形状；抽吸空气的最佳位置(保证无空隙)以及弹性体的凝固时间。注射口和通气口应位于对使用构件合适的地方。如果该构件用作双壳船上的船身板，则注射口的理想位置是面对船身内缝，而非面对大海或货位。理想上，注射口应为能迅速拆卸。可能的话，应带浇注后能拧下的单向阀。注射口和通气口可以是简单地钻入金属面板内的孔。这些孔亦可用和金属面板贴合或做成贴合的金属塞密封。拧入注射口或通气口的金属塞应选用其化学电特性(galvanic characteristics)与金属层板匹配的材料制成。
注射过程必须监控，以保证空腔充填均匀而无任何可能导致膨胀和板厚不均的反压力。也可以使用从充填的空腔中逐步抽出的管子进行注射。
在层板制造完毕及其使用期内，必须检查弹性体同金属层板的粘结是否正确。这一点可以利用超声或γ射线技术达到。
为了修理损坏的构件，或当弹性体的粘结不合适时，应锯(冷切)去，或用火焰割去金属板上的损坏区域，例如使用一刳刨工具(router)或高压水(水力清理)将弹性体切去或凿去，直到露出好的弹性体，然后建立焊接隔离带。剩余弹性体的暴露表面必须充分清理，以便将当场浇注的新弹性体粘上去。
本发明已如上述就航海和土木工程用途加以介绍。本发明特别适用于予计存在重大平面应力和横向载向的场合，需要承受冲击载荷的场合，希望抗疲劳性能强或者具有阻止裂纹传播能力的场合。

Claims (37)

1.一种结构层板构件，其包含：
一块具有第一内表面和第一外表面的第一金属层板；
一块具有第二内表面和第二外表面的第二金属层板，该第二金属层板和所述第一金属层板互相隔开；
一个位于所述第一和第二内表面之间的密度低于中间层的结构；
一层中间层，由位于所述第一和第二内表面之间未被所述结构占据的空间内且同所述第一和第二内表面粘接的弹性体构成，该中间层跟这些外层的粘接强度足以在这些金属层之间传递剪切力。
2.一种按照权利要求1所述的结构层板构件，其特征在于第一和第二金属层板不是通过和中间金属板焊接而是由中间弹性体连接在一起的。
3.按照权利要求1所述的结构层板构件，其特征是所述结构由多个子区构成。
4.按照权利要求3所述的结构层板构件，其特征是所述一些子区是细长的。
5.按照权利要求3所述的结构层板构件，其特征在于所述若干子区由一些连接件彼此连接在一起。
6.按照权利要求5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述子区包含从所述子区的表面上伸出和所述第一和第二内表面接触的定位窝。
7.按照权利要求3～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述子区是空心的。
8.按照权利要求3～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是该结构的子区形状并非全部一致。
9.按照权利要求3～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是该结构的子区之间的间隔并非全部一致。
10.按照权利要求5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述子区的横断面面积大于所述连接件的横断面面积。
11.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是多个结构基本上沿着所述构件的全长伸展，使所述中间层形成多条互相隔开的细长肋。
12.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是至少还包含一大致垂直于所述第一和第二层板，并在其中间伸展和同所述中间层连接的抗剪切板。
13.按照权利要求12所述的结构层板构件，其特征是所述至少一块抗剪切板上有一些通孔。
14.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述结构用泡沫材料制成。
15.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述结构用聚氨酯泡沫材料制成。
16.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述结构用聚丙烯半固体泡沫材料制成。
17.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述结构至少同所述第一和第二金属层板之一部分地接触。
18.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是从第一内层到第二内层的路径是连续的，避开了所述结构。
19.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是从第一内层到第二内层的路径是直的，并且避开所述结构，所述直线路径基本上垂直于所述第一和第二金属层板。
20.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是附加的金属承载件位于所述第一和第二内表面之间，但不焊在第一和第二内表面上。
21.按照权利要求20所述的结构层板构件，其特征是所述弹性体粘接在所述附加的金属承载件上。
22.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述弹性体的弹性模量E大于或等于约250MPa，其延展性超过该金属层板的延展性。
23.按照权利要求22所述的结构层板构件，其特征是所述弹性体的弹性模量大于或等于约275MPa。
24.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述弹性体的拉伸强度和压缩强度至少为2MPa。
25.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述弹性体同所述金属层板的连接强度至少为1MPa。
26.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述弹性体是密实的。
27.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述第一和第二金属层板互相间隔约20～约250mm。
28.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是所述第一和第二金属层板中每层板的厚度处在约2.0～约25mm范围内。
29.按照权利要求1～5中任一项所述的结构层板构件，其特征是第一和第二金属层板的总厚度和中间层厚度之比处在0.1～2.5范围内。
30.包括至少一个按上述任一项权利要求的结构层板构件的海上工程结构或土木工程结构或船舶。
31.一种制造结构层板构件的方法，包括以下的步骤：
按互相隔开的关系构成第一和第二层板，一密度低于中间层的结构部分地跟两金属层板接触，配置在该两金属层板之间限定的一中心空腔内，所述结构部分地填充所述中心空腔；
将未固化的弹性体浇注入所述中心空腔内；
使所述弹性体固化，一旦固化，便形成一中间层，使其同所述金属层板粘接在一起。
32.按照权利要求31所述的方法，其特征是附加的金属承载件位于所述第一和第二内表面之间，但不和它们接触。
33.按照权利要求31所述的方法，其特征是所述结构用泡沫材料制成。
34.按照权利要求31所述的方法，其特征是所述结构用聚氨脂(PU)泡沫材料制成。
35.按照权利要求31、32或33所述的方法，其特征是附加的金属承载件同所述结构浇注成一个整体。
36.按照权利要求31、32或33所述的方法，其特征是附加的金属承载件同所述弹性体浇注成一个整体。
37.按照权利要求31～33中任一项所述的方法，其特征是该弹性体固化后，其弹性模量E大于或等于约250MPa，其延展性超过金属层板的延展性。
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