复合夹芯大板式方舱的失效模式分析

蔡旭东，李 凯，王亮平

（中国航天科工集团第六研究院二一〇所，陕西 西安710065）

0 引言

方舱是一种应用在特殊环境下的特种车厢，最初应用于美军，配备有载车，具有较高的机动性能，可根据不同需求，在内部进行相应的结构设计，被广泛应用于通信、医疗、检测、试验、应急抢险救灾、野营生活等多个领域。因其具备良好的机动性能和快速响应能力，作为武器装备、指挥通讯中心和后勤保障装备的主要载体，近年来在军事领域获得了长足发展。

我国的方舱结构从最初的骨架式，逐渐发展成为复合夹芯大板式。骨架式方舱是先焊接一个方舱完整的骨架，然后在骨架上加装内、外蒙皮并填充芯材，骨架是主要承力结构，内外蒙皮以及芯材几乎不具有刚强度的贡献。目前国内大量生产的均为复合夹芯大板式方舱，一般由6～8块复合夹芯大板拼接而成，每块大板为加强梁—夹芯层合大板，这种结构具有比重量轻、比刚度大、比强度高、隔热保温和电磁屏蔽好等许多优点。近年来，因为复合材料的强度高、质量轻、抗腐蚀能力强等性能，如玻璃钢、蜂窝芯等已被应用于各种方舱的复合夹芯大板中。

然而，这种复合夹芯大板是由几种不同性能的材料组成的复合件，且方舱会经受高温、高湿、越野路面运输、吊装等多种恶劣的工况环境，方舱大板内部极其容易发生损伤、失效甚至破坏。本文结合研制、生产、试验以及多年的售后维修情况，分析了复合材料大板式方舱的几种主要的失效模式，从而利于采取相应措施，防止各种损伤破坏，提高产品质量。

1 方舱的结构和力学特性

复合夹芯大板式方舱是由大板、角形件、角件等通过紧固件、胶粘剂等，经过特殊工艺处理固连在一起而形成的。复合夹芯大板是由内外蒙皮、芯材、加强梁和隔热木条组成，具体结构如图1所示。蒙皮一般比较薄（厚度为1～2 mm），通常为金属或者玻璃钢等复合材料；芯材较厚（厚度为50 mm），多为聚氨酯泡沫或者蜂窝芯；加强梁多为方铝管或结构钢。蒙皮与芯材、加强梁紧密粘接而成为整体，蒙皮对芯材具有保护作用，使其避免受机械损伤，防止风化，隔离水与蒸汽，且防火、防腐蚀；芯材将上下两个蒙皮连接成整体，共同承受荷载，具有抗振、隔热、隔音的作用。复合夹芯大板式方舱主要有以下几方面的力学性能。

图1 方舱大板的结构图

（1）内外蒙皮主要承受弯曲变形引起的正应力；芯材和胶接层主要承受剪应力。

（2）在外部载荷作用下，芯材很容易发生剪切变形，不能忽略芯材的剪切应变。

（3）在外部载荷作用下，蒙皮会发生屈曲，此时芯材对蒙皮有支撑作用，增加蒙皮抵抗屈曲的能力，避免蒙皮的局部失稳。

（4）芯材的力学性能（抗拉强度、抗压强度、剪切强度、弹性模量及剪切模量等）与材料密度有关。

（5）芯材具有很好的绝热性能，当外表面承受强烈的太阳辐射或处在寒冷气候中，而内表面保持环境温度，大板的内外表面将产生很大的温度差，引起明显的变形，即所谓的热弯曲，但方舱角件会对大板产生抵抗热弯曲的反力，会使大板内部应力环境恶劣。

（6）方舱大板在连接载荷和设备自重的作用下，大板内的芯材会产生徐变，将引起大板内力和变形的变化。

2 方舱大板的失效模式

根据方舱大板的力学特性，在方舱的研制、生产、试验、转运和使用过程中容易出现的各种损伤失效模式有以下几种：

2.1 弯剪联合屈曲失稳

在弯剪联合作用下，方舱的大板会出现如图2所示的破坏方式。比如：方舱底板负荷过重，吊装时，底板受到和地面相垂直的作用力，大板既受弯又受剪，就会出现这样的失稳。如果设计不合理，面板、芯材厚度不够，或者芯材的抗剪刚度不够，使大板整体弯曲刚度不够，便会造成这样的破坏[1]。

图2 弯剪联合屈曲失稳模式

2.2 蒙皮屈曲失稳

2.2.1 蒙皮屈曲失稳模式

（1）金属蒙皮向外凸出模式：大板表面鼓包现象就是这种破坏方式，其发生的原因是夹芯垂向抗压及抗剪刚度不够或面板固有刚度不够，或是面板和夹芯粘接不牢而脱层引起的，如图3（a）所示。

国内方舱大板的生产主要采用浇注发泡法和粘泡法。相对于粘泡法，发泡法有较多的因素更容易发生鼓包，主要表现在：

1）发泡法容易在蒙皮和芯材的界面、门窗的死角形成缝隙，在发泡过程中，模温温度较高，发泡时的压力会使缝隙内的空气产生压力，当发完泡卸模后，压力松弛，蒙皮被挤压在缝隙内的气体顶起而鼓包。这种鼓包在高温天气或者太阳辐射强时，会更加恶劣。

2）芯材与蒙皮的粘接力不一致，随着发泡时间的增加，泡沫由于粘度逐渐增加，与蒙皮的粘接力逐渐减小[2]。

3）浇注发泡生产的大板，可能存在着二次发泡的可能。

（2）金属蒙皮向内凹陷模式：是由于蒙皮的强度不够或者芯材的压缩强度太小，芯材被压碎，如图3（b）所示。

图3 面板屈曲失稳

2.2.2 蒙皮屈曲的力学分析

（1）大板弯曲载荷下的屈曲应力

方舱大板承受弯曲载荷作用时，受压一面的蒙皮会出现皱纹，并随着载荷的增加和持续时间的增长而变大。当皱纹增大到芯材无法支承时，皱纹会发生失稳，大板发生屈曲破坏。 将芯材的支承视为竖向位移按指数衰减的弹性半空间，用最小能量法，得到方舱大板发生弹性屈曲时，临界应力为：

Ec为芯材的弹性模量；Gc为芯材的剪切模量（受压）；Ef为蒙皮的弹性模量；系数0.65是由芯材材料泊松比所决定的常数，并通过经验降低系数修正所得[3]。

从公式1可以看出，屈曲应力与蒙皮的厚度无关，取决于蒙皮与芯材的力学特性。因此，这种屈曲破坏通常是向内皱折的。

（2）芯材和粘接层受剪破坏

当方舱大板弯曲变形时，芯材和粘接层内存在剪应力，蒙皮和芯材之间的粘接力以及芯材层内的剪力必须大于外荷载引起的纵向剪力。在实际情况中，芯材层和粘接层是同时受剪的，当有外部载荷作用时，往往并没有达到粘接层或者芯材的最大剪应力时，就已经发生破坏了。

（3）芯材压碎破坏

当方舱角件对大板产生紧固约束或大板局部承受集中载荷时，当芯材承受的载荷超过芯材的抗压强度时，芯材会被压碎。设计时，可以忽略蒙皮的抗弯刚度，按45°扩散角，校核芯材的压缩强度。

2.3 反对称翘曲失稳

反对称翘曲失稳发生的原因是芯材层垂向抗压及抗剪刚度不够，或者蒙皮固有抗弯刚度不够。如图4所示。

图4 反对称翘曲失稳

2.4 芯格内蒙皮凹陷

大板发生芯格内的蒙皮凹陷主要是由于芯格的尺寸过大或者蒙皮的厚度太小引起的[1]，这种失效模式可能会促使蒙皮屈曲失稳的发生。

图5 芯格内蒙皮凹陷

2.5 连接件的破坏

方舱内外包含大量的连接件用来固定设备和方舱本身，连接件的破坏会对方舱大板存在极大的影响，主要表现为三种形式：连接件由于拉力作用被拔出、连接件受剪发生倾斜、大板本身变形造成连接件破坏。第一种形式的破坏常见于方舱外部受风载过大或舱内设备的动载过大，设计时需要校核极限状态下连接件的抗拉强度；第二种破坏常发生于方舱温度载荷变化的情况，大板内外表面的温度差常常会引起连接件出现侧向剪切变形；第三种破坏是当大板在外载荷作用下发生变形、撕裂对连接件造成破坏，从而引起大板破坏的加剧。

2.6 密封失效

方舱在制造和长期的使用过程中，或者存放于高温高湿的环境中，密封失效是方舱一种很常见的失效模式，主要表现在以下几个方面：

（1）方舱密封条在使用过程中老化或者硬化，失去密封效果。

（2）方舱在制造过程中，大板之间连接密封存在缺陷。

（3）方舱角件与大板连接处存在应力变形，从而造成密封失效。

（4）密封胶固化萎缩、铆钉处存在缝隙、铆钉孔未封堵、点焊锈蚀均会影响密封效果，甚至漏雨，引发大板破坏。

3 结束语

本文针对复合夹芯大板式方舱的结构特性，阐述了复合夹芯大板可能出现的各种失效模式，对产生的原因进行了分析，并给出了简单常用的校核方法。通过对复合夹芯大板式方舱失效模式的分析，可帮助提高方舱的可靠性，在设计上、工艺上及管理上采取相应措施，制定详细的过程控制规范，防止方舱出现损伤破坏，从而确保产品的质量。