輕型木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

楊冬霞，范長(zhǎng)勝，丁寶榮，戴冰，胡英成*

(1.哈爾濱學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江省地下工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150086；2.生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150040)

0 引言

夾芯結(jié)構(gòu)由于具有高強(qiáng)度、高剛度和較小的重量比，已經(jīng)成功地在航空航天、海洋、機(jī)械和土木工程中應(yīng)用多年[1-2]。在夾芯結(jié)構(gòu)中，芯層通?？梢杂膳菽牧匣螯c(diǎn)陣結(jié)構(gòu)組成。泡沫材料可以形成一個(gè)連續(xù)的核心，提供一個(gè)連續(xù)的界面，方便黏合到面板材料表面，但它們的比強(qiáng)度和比剛度較低[3]。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是指由一種或多種結(jié)構(gòu)單元按照特定方式優(yōu)化組合而成的具有特殊物理性能的一類新材料[4]。2001年，EVANS等[5]明確提出點(diǎn)陣材料的概念，并將點(diǎn)陣材料定義為具有周期性架構(gòu)的微結(jié)構(gòu)也稱點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。點(diǎn)陣材料相比于泡沫材料具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，因?yàn)樗鼈兙哂休^高的節(jié)點(diǎn)連通性[6]。由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的良好性能，人們對(duì)多功能材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究[7]。六角形蜂窩在平面外壓縮和縱向剪切條件下的高比強(qiáng)度和比剛度，被廣泛應(yīng)用于夾芯結(jié)構(gòu)中。然而，由于節(jié)點(diǎn)連通性僅為3[8]，所以它的面內(nèi)強(qiáng)度較低。方形蜂窩結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連通性為4，因此具有較強(qiáng)的面內(nèi)特性[9]。方形蜂窩結(jié)構(gòu)與六角形和三角形蜂窩結(jié)構(gòu)相比，具有更高的能量吸收特性[10]。XUE等[11-12]研究了應(yīng)用304不銹鋼制備金字塔結(jié)構(gòu)、方形蜂窩和折疊板3種幾何形狀結(jié)構(gòu)在抗沖擊狀態(tài)下的力學(xué)性能。結(jié)果表明，3種類型的夾芯板相比于等質(zhì)量的實(shí)心板都能夠承受更大的爆炸力，且方形蜂窩和折疊板結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能優(yōu)于金字塔結(jié)構(gòu)。Cote等[13-14]應(yīng)用304不銹鋼板開槽焊接的方法制造了方形蜂窩結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行平面外壓縮性能測(cè)試。將測(cè)試結(jié)果與六角形蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，方形蜂窩結(jié)構(gòu)的無(wú)量綱峰值強(qiáng)度比高于六角形蜂窩結(jié)構(gòu)。LI等[15]采用FAN等[16]提出的等效連續(xù)體方法預(yù)測(cè)了方形蜂窩結(jié)構(gòu)各向異性的力學(xué)性能，應(yīng)用有限元模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研究方形蜂窩結(jié)構(gòu)在面內(nèi)離軸方向上的強(qiáng)度。王志鵬等[17]應(yīng)用碳纖維/樹脂基復(fù)合材料制備了嵌鎖式方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了平面壓縮和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷下表現(xiàn)出優(yōu)異的吸能特性。ZUHRI等[18]研究了基于亞麻纖維增強(qiáng)聚丙烯(Flax/PP)和聚乳酸(Flax/PLA)復(fù)合材料方形和三角形蜂窩結(jié)構(gòu)的壓縮性能。結(jié)果表明，方形蜂窩結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度和能量吸收特性明顯高于三角形蜂窩結(jié)構(gòu)，F(xiàn)lax/PP復(fù)合材料強(qiáng)度明顯高于Flax/PLA復(fù)合材料。王雪[19]制作的方形夾芯結(jié)構(gòu)，面板采用云杉(Spruce)，材料芯層選用黃麻(Jute fabrics)與環(huán)氧樹脂(Epoxy)合成的復(fù)合材料，對(duì)其進(jìn)行平面壓縮測(cè)試。研究結(jié)果表明，木質(zhì)基方形夾芯結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能。

目前研究者所研究結(jié)構(gòu)應(yīng)用的材料大都為金屬材料或復(fù)合材料，對(duì)木質(zhì)基材料研究得較少。木質(zhì)基夾芯結(jié)構(gòu)的材料有多種類型，但大致可以定義為3類，即: ①上下面板是非木質(zhì)基材料，芯層是木質(zhì)基材料；②上下面板是木質(zhì)基材料，芯層是非木質(zhì)基材料；③上下面板和芯層都是木質(zhì)基材料。在這些類型中，第3種類型被認(rèn)為是“綠色環(huán)?！钡膴A芯結(jié)構(gòu)型式[20]。將木質(zhì)基夾芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，在快速增長(zhǎng)的可變形房屋和預(yù)制避難場(chǎng)所中，夾芯板可以顯著節(jié)省運(yùn)輸和組裝時(shí)間[21]。木質(zhì)基夾芯結(jié)構(gòu)可以作為轉(zhuǎn)換房屋的組成部分進(jìn)行廣泛研究[22]。本研究的是“綠色環(huán)?！眾A芯結(jié)構(gòu)類型的制造、性能和應(yīng)用。目的是分析比較具有不同組成材料、相同結(jié)構(gòu)形式的木質(zhì)基互鎖格柵夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，以便較為全面地了解夾芯結(jié)構(gòu)，為今后進(jìn)一步改進(jìn)和設(shè)計(jì)模塊化夾芯結(jié)構(gòu)提供有價(jià)值的研究信息。

1 材料和方法

1.1 材料

木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)試件主要包括3部分：面板、芯層和膠黏劑。試件的面板材料有定向結(jié)構(gòu)刨花板(Oriented Strand Board, OSB )，指接落葉松(Larch finger-jointed lumber, Larch)和樺木膠合板(Birch Plywood, Plywood)。OSB板購(gòu)買于東方港國(guó)際木業(yè)有限公司，OSB板的產(chǎn)地是德國(guó)，品牌是愛格，環(huán)保等級(jí)是E0級(jí)的歐松板，厚度為12 mm，密度為0.61 g/cm3。Larch購(gòu)買于中國(guó)宜春市大嶺木制品綜合加工廠，密度為0.51 g/cm3。Plywood購(gòu)買于上海識(shí)義實(shí)業(yè)有限公司，產(chǎn)地是上海，品牌是艾克美，厚度為12 mm，密度為0.82 g/cm3。芯層材料選用Larcho膠黏劑，為環(huán)氧樹脂(環(huán)氧樹脂、固化劑、稀釋劑的質(zhì)量比為10∶6∶1)，購(gòu)買于黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究所。

1.2 試件設(shè)計(jì)

木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)，如圖1所示。支撐板厚度與面板厚度相同，支撐板中心位置銑槽，尾端是圓形，這樣可以減少應(yīng)力集中，以往研究者在都加工成方形[13-14,18-19]。由面板材料和芯層可以制作3種試件，試件材料、結(jié)構(gòu)和參數(shù)見表1。

圖1 木質(zhì)基互鎖格柵夾芯結(jié)構(gòu)胞元Fig.1 Wood-based interlocking grid sandwich cell structure

表1 試件尺寸Tab.1 Unit cell size design mm

(1)

1.3 試件制備

木質(zhì)基互鎖格柵夾芯結(jié)構(gòu)胞元試件的制作過程，如圖2所示。

圖2 木質(zhì)基互鎖格柵夾芯結(jié)構(gòu)胞元制備方法Fig.2 Method for manufacturing the wood-based interlocking grid sandwich cell structure

首先，按設(shè)計(jì)尺寸銑削芯材和面板；然后將芯材交叉安裝，2塊芯板相互垂直；將膠黏劑涂抹于面板溝槽和芯材上下邊；最后將芯材插入面板的溝槽中，用扁鉗對(duì)試件施加適當(dāng)壓力。72 h后將試件取下，完成試件的制作。制作好的試件如圖3所示。

圖3 木質(zhì)基互鎖格柵夾芯結(jié)構(gòu)胞元試件

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 原材料力學(xué)性能

依據(jù)GB/T 31264—2014《結(jié)構(gòu)用人造板力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行試件原材料的力學(xué)性能測(cè)試，其結(jié)果見表2。

2.2 平壓測(cè)試

依據(jù)GB/T 1453—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》，將試件放置于萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行垂直方向壓縮測(cè)試，加載速度為1 mm/min。試件的破壞狀態(tài)，如圖4所示。試件的破壞形式主要為支撐板的破壞。由于芯材選用的是指接落葉松，因此，試件破壞的主要形式是支撐板指接處發(fā)生折斷，而在非指接部分發(fā)生順紋劈裂。由于3種試件的面板材料不同破壞形式也就不同。Larch面板在接觸處發(fā)生折斷,Plywood面板在接觸處發(fā)生分層,OSB面板沒有破壞，但在平壓載荷作用下密度變大。3種試件壓縮后胞元整體沒有發(fā)生破壞，但試件的面版與芯層都發(fā)生了不同程度的破壞，胞元試件高度減小。

表2 原材料的力學(xué)性能

圖4 木質(zhì)基互鎖格柵夾芯結(jié)構(gòu)胞元破壞狀態(tài)Fig.4 Wood-based interlocking grid sandwich cell structure failure

3 結(jié)果與分析

3.1 承載能力分析

木質(zhì)基互鎖格柵夾芯結(jié)構(gòu)胞元試件的荷載位移曲線，如圖5所示。由圖5中可以觀察到，試件的荷載-位移曲線大致可以分為3個(gè)階段，即彈性階段、屈服階段和峰值荷載后的下降階段。在彈性階段，曲線陡峭上升，可以近似為直線，到達(dá)峰值后曲線開始下降；在彈性階段Larch+ Larch組合試件曲線的近似線性度沒有其他組合試件的線性度高。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是這種組合使用的材料屬于實(shí)木，是各向異性材料，每個(gè)方向承受載荷能力各不相同，而其他組合中面板使用的材料都屬于木質(zhì)基復(fù)合材料，在生產(chǎn)加工過程中都已經(jīng)將原材料的各向異性特性降到最低[24]。以O(shè)SB為面板的試件，在彈性階段曲線比較陡峭且有良好的線性度。這是由OSB材料的自身特性決定的，OSB的刨花在上、下兩表面呈縱向排列，中間芯層呈橫向排列，這種縱橫交錯(cuò)的排列方式?jīng)Q定了OSB在受外界環(huán)境影響的時(shí)候能夠做到穩(wěn)定不變形，這種重組木質(zhì)紋理結(jié)構(gòu)的工藝消除了木材的各向異性，其縱向抗彎強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向抗彎強(qiáng)度。

Larch+ Larch組合試件的載荷位移曲線在彈性階段位移1.5 ～7.0 mm區(qū)間呈現(xiàn)較好的線性，隨載荷增加芯層中支撐板在接指處發(fā)生折斷，到達(dá)極限載荷時(shí)在面板與支撐板相接觸部分面板發(fā)生劈裂。

Plywood+ Larch組合試件的載荷位移曲線在彈性階段有較好的線性度，隨載荷增加芯層中支撐板在接指處發(fā)生劈裂，離中心遠(yuǎn)的邊緣劈裂程度越大，到達(dá)極限載荷時(shí)在面板與支撐板相接觸部分，面板發(fā)生分層破壞。

OSB+ Larch組合試件的載荷位移曲線在彈性階段斜率較大且呈現(xiàn)出較好的線性，隨載荷增加芯層中支撐板在接指處發(fā)生劈裂和折斷，離中心遠(yuǎn)的邊緣劈裂和折斷程度越明顯，在試件的加載過程中面板沒有發(fā)生明顯破壞。

圖5 試件的位移載荷曲線Fig.5 Displacement load curve of specimens

3.2 力學(xué)性能

壓縮強(qiáng)度是材料的一個(gè)重要力學(xué)量，表示材料結(jié)構(gòu)抵抗外力破壞的能力。用于計(jì)算抗壓強(qiáng)度的具體公式為

(2)

式中：σ為壓縮強(qiáng)度，MPa；Pmax為最大壓縮載荷；a為試件的長(zhǎng)度，mm。

用于計(jì)算壓縮模量的公式為

(3)

式中：E為壓縮模量，GPa；ΔP為壓縮曲線彈性部分的載荷增量；ε為試件變形量。

比強(qiáng)度是指結(jié)構(gòu)材料在單位體積單位質(zhì)量的強(qiáng)度，其大小為材料在斷裂點(diǎn)的強(qiáng)度與相對(duì)密度之比。比強(qiáng)度σss為

(4)

載荷質(zhì)量比定義為

(5)

式中：λ為載荷質(zhì)量比；Fmax為試件結(jié)構(gòu)承受的最大載荷，N；m為試件的質(zhì)量，g。

木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)試件在平面壓縮狀態(tài)下的性能對(duì)比，如圖6所示。OSB+Larch組合試件在承載能力、壓縮強(qiáng)度、比強(qiáng)度及質(zhì)量載荷比4個(gè)方面的性能都優(yōu)于另外2種結(jié)構(gòu)?？梢缘贸?，在胞元體積相同的條件下木質(zhì)基互鎖格柵夾芯結(jié)構(gòu)的性能與其密度之間是非線性相關(guān)。因此，改變木質(zhì)基夾芯結(jié)構(gòu)的面板材料可以有效提高木質(zhì)基夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

圖6 3種試件力學(xué)性能對(duì)比Fig.6 Comparison of mechanical properties of three specimens

3.3 理論分析

木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)試件在外部載荷作用時(shí)，結(jié)構(gòu)受力如圖7所示。受力分析假設(shè)條件為結(jié)構(gòu)材料在彈性變形區(qū)間內(nèi)。

圖7 支撐板受力分析Fig.7 Force analysis of support plate

依據(jù)公式(6)可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)在力矩、剪力和軸力共同作用下的變形量(Δ)。

(6)

圖8 面板受力分析

從木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)試件的支撐板和面板受力分析可以得出，理論計(jì)算出結(jié)構(gòu)外邊緣的偏心矩最大，結(jié)構(gòu)中心部分偏心矩最小。這一計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)試件的破壞程度恰好一致。離中心載荷距離越遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力越大破壞越嚴(yán)重，與載荷重合的結(jié)構(gòu)中心整體應(yīng)力最小，破壞也最小。

3.4 有限元仿真

有限元仿真分析是為了更有效地展示夾芯結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的受力狀態(tài)。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下仿真模型有2種恒定速率下的動(dòng)態(tài)變形過程預(yù)測(cè)，如圖9所示。圖9(a)中對(duì)試件的上下面板施加大小相等方向相反的外部載荷，圖9(b)中對(duì)試件的下面板剛性固定，對(duì)上面板施加外部載荷。這2種加載情形，第2種與試驗(yàn)過程相同。本研究的有限元分析是基于Auto Inventor軟件，有限元分析模型幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)與試驗(yàn)試件相同。

圖9 2種恒定速率壓縮載荷Fig.9 Two compressive constant rate loadings

仿真分析模型選擇實(shí)體單元為C3D4(4節(jié)點(diǎn)四面體線性完全積分單元)，模型中的各個(gè)組成部件之間選擇膠合連接。在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常采用安全系數(shù)來反映結(jié)構(gòu)的安全程度?？梢愿鶕?jù)安全系數(shù)判斷出結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)和破壞順序。木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布如圖10所示。仿真過程中可以看到，模型的應(yīng)力首先發(fā)生在支撐板與上下面板相接觸的區(qū)域，隨著外部載荷的增加支撐板上的應(yīng)力從上下面板同時(shí)向中間區(qū)域逐步擴(kuò)大。同時(shí)上面板在接觸區(qū)開始產(chǎn)生形變向四周擴(kuò)大變形，支撐板應(yīng)力從邊緣向中心逐漸擴(kuò)大直至整個(gè)面板。仿真結(jié)果與試驗(yàn)時(shí)試件的破壞結(jié)果一致。

Fig.10 仿真結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布圖Fig.10 Distribution diagram of safety factor of simulated structure

3.5 性能分析

比能量吸收值，即單位質(zhì)量結(jié)構(gòu)材料吸收的能量，是能量吸收過程中材料利用效率的一種度量，數(shù)值越高越好。木質(zhì)基互鎖格柵夾芯結(jié)構(gòu)胞元的比能量吸收值，如圖11所示。圖11中虛線部分為本研究的木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)試件，其余為木質(zhì)基復(fù)合材料的方形夾芯結(jié)構(gòu)試件。圖11中試件組成材料有Flax/PP(comingled flax fibre reinforced polypropylene)、Flax/PLA(comingled flax fibre reinforced polylactide)[18]、Jute fabrics/epoxy[19]、OSB、Plywood和Larch。圖11中木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)試件的比能量吸收值為0.498、0.618、1.841 kJ/ kg。試件中OSB+Larch組合的比能量值與圖中復(fù)合材料Flax/PP和Jute fabrics/epoxy的值相接近，但結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度卻遠(yuǎn)小于復(fù)合材料。因此，木質(zhì)基互鎖格柵夾芯結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可以將其用于建筑結(jié)構(gòu)中。將木質(zhì)基夾芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑行業(yè)可以得到質(zhì)輕高強(qiáng)、集功能設(shè)計(jì)及大空間于一體的建筑結(jié)構(gòu)材料，使建筑材料的消耗得以減緩。建筑材料占全球一次性能源消費(fèi)的23%，每年消耗材料近600億t。在全球范圍內(nèi)，材料消費(fèi)在20世紀(jì)內(nèi)增長(zhǎng)了8倍，預(yù)計(jì)這個(gè)數(shù)字在未來40年將翻一番，這將導(dǎo)致更多的不可再生原材料的消費(fèi)[25-26]。木質(zhì)基夾芯結(jié)構(gòu)材料作為一種材料應(yīng)用于建筑行業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式建筑向主動(dòng)式或半主動(dòng)式建筑轉(zhuǎn)化，有利于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

圖11 木質(zhì)基夾芯結(jié)構(gòu)比能量吸收?qǐng)DFig.11 Specific energy absorption of wood-based sandwich structure

4 結(jié)論

通過對(duì)木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)3種材料組合試件的靜態(tài)平壓測(cè)試，得出以下結(jié)論。

(1) 木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度優(yōu)于自身組成材料。3種組合試件的破壞模式較為相似，破壞形式為支撐板在指接處折斷，面板開裂。破壞位置主要從芯層支撐板與面板相接觸的交叉處開始，這是由于芯層與面板接觸的交叉處是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最薄弱的地方。

(2)在芯層材料、結(jié)構(gòu)及尺寸都相同的條件下，木質(zhì)基互鎖格柵夾芯胞元結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與面板材料密切相關(guān)。在平面外壓縮載荷作用下，支撐板是受力主體，但面板材料決定了結(jié)構(gòu)的承載能力。3種組合中OSB+ Larch組合試件在承載能力、壓縮強(qiáng)度、比強(qiáng)度、質(zhì)量載荷比及比能量吸收方面都高于另外兩種組合。

本次研究的試件具有較大尺寸，建筑結(jié)構(gòu)組件中可以較為方便地使用，同時(shí)還可以根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)所對(duì)試件結(jié)構(gòu)尺寸的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果采用數(shù)字化木材加工技術(shù)加工試件，不僅可以最大程度減少木質(zhì)基材料在加工過程中的誤差而且還可以進(jìn)行定制加工，形成數(shù)字創(chuàng)新和藝術(shù)設(shè)計(jì)相結(jié)合的輕質(zhì)木結(jié)構(gòu)建筑。同時(shí)，夾芯結(jié)構(gòu)芯層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和面板材料的增強(qiáng)都將是今后研究工作的方向。