轻型木质基互锁格栅夹芯胞元结构的力学性能

杨冬霞，范长胜，丁宝荣，戴冰，胡英成*

(1.哈尔滨学院 土木建筑工程学院，黑龙江省地下工程技术重点实验室，哈尔滨 150086；2.生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨 150040)

0 引言

夹芯结构由于具有高强度、高刚度和较小的重量比，已经成功地在航空航天、海洋、机械和土木工程中应用多年[1-2]。在夹芯结构中，芯层通常可以由泡沫材料或点阵结构组成。泡沫材料可以形成一个连续的核心，提供一个连续的界面，方便黏合到面板材料表面，但它们的比强度和比刚度较低[3]。点阵结构是指由一种或多种结构单元按照特定方式优化组合而成的具有特殊物理性能的一类新材料[4]。2001年，EVANS等[5]明确提出点阵材料的概念，并将点阵材料定义为具有周期性架构的微结构也称点阵结构。点阵材料相比于泡沫材料具有较高的比强度和比刚度，因为它们具有较高的节点连通性[6]。由于点阵结构的良好性能，人们对多功能材料结构进行设计，尤其是对蜂窝结构进行了大量研究[7]。六角形蜂窝在平面外压缩和纵向剪切条件下的高比强度和比刚度，被广泛应用于夹芯结构中。然而，由于节点连通性仅为3[8]，所以它的面内强度较低。方形蜂窝结构的节点连通性为4，因此具有较强的面内特性[9]。方形蜂窝结构与六角形和三角形蜂窝结构相比，具有更高的能量吸收特性[10]。XUE等[11-12]研究了应用304不锈钢制备金字塔结构、方形蜂窝和折叠板3种几何形状结构在抗冲击状态下的力学性能。结果表明，3种类型的夹芯板相比于等质量的实心板都能够承受更大的爆炸力，且方形蜂窝和折叠板结构的抗冲击性能优于金字塔结构。Cote等[13-14]应用304不锈钢板开槽焊接的方法制造了方形蜂窝结构，并对其进行平面外压缩性能测试。将测试结果与六角形蜂窝结构的力学性能进行对比。结果表明，方形蜂窝结构的无量纲峰值强度比高于六角形蜂窝结构。LI等[15]采用FAN等[16]提出的等效连续体方法预测了方形蜂窝结构各向异性的力学性能，应用有限元模拟和试验验证的方法，研究方形蜂窝结构在面内离轴方向上的强度。王志鹏等[17]应用碳纤维/树脂基复合材料制备了嵌锁式方形蜂窝夹芯结构，对其进行了平面压缩和三点弯曲试验。研究结果表明，该结构在准静态压缩载荷下表现出优异的吸能特性。ZUHRI等[18]研究了基于亚麻纤维增强聚丙烯(Flax/PP)和聚乳酸(Flax/PLA)复合材料方形和三角形蜂窝结构的压缩性能。结果表明，方形蜂窝结构的压缩强度和能量吸收特性明显高于三角形蜂窝结构，Flax/PP复合材料强度明显高于Flax/PLA复合材料。王雪[19]制作的方形夹芯结构，面板采用云杉(Spruce)，材料芯层选用黄麻(Jute fabrics)与环氧树脂(Epoxy)合成的复合材料，对其进行平面压缩测试。研究结果表明，木质基方形夹芯结构具有良好的力学性能。

目前研究者所研究结构应用的材料大都为金属材料或复合材料，对木质基材料研究得较少。木质基夹芯结构的材料有多种类型，但大致可以定义为3类，即: ①上下面板是非木质基材料，芯层是木质基材料；②上下面板是木质基材料，芯层是非木质基材料；③上下面板和芯层都是木质基材料。在这些类型中，第3种类型被认为是“绿色环保”的夹芯结构型式[20]。将木质基夹芯结构应用于建筑结构，在快速增长的可变形房屋和预制避难场所中，夹芯板可以显著节省运输和组装时间[21]。木质基夹芯结构可以作为转换房屋的组成部分进行广泛研究[22]。本研究的是“绿色环保”夹芯结构类型的制造、性能和应用。目的是分析比较具有不同组成材料、相同结构形式的木质基互锁格栅夹芯结构的力学性能，以便较为全面地了解夹芯结构，为今后进一步改进和设计模块化夹芯结构提供有价值的研究信息。

1 材料和方法

1.1 材料

木质基互锁格栅夹芯胞元结构试件主要包括3部分：面板、芯层和胶黏剂。试件的面板材料有定向结构刨花板(Oriented Strand Board, OSB )，指接落叶松(Larch finger-jointed lumber, Larch)和桦木胶合板(Birch Plywood, Plywood)。OSB板购买于东方港国际木业有限公司，OSB板的产地是德国，品牌是爱格，环保等级是E0级的欧松板，厚度为12 mm，密度为0.61 g/cm3。Larch购买于中国宜春市大岭木制品综合加工厂，密度为0.51 g/cm3。Plywood购买于上海识义实业有限公司，产地是上海，品牌是艾克美，厚度为12 mm，密度为0.82 g/cm3。芯层材料选用Larcho胶黏剂，为环氧树脂(环氧树脂、固化剂、稀释剂的质量比为10∶6∶1)，购买于黑龙江省科学院石油化学研究所。

1.2 试件设计

木质基互锁格栅夹芯胞元结构，如图1所示。支撑板厚度与面板厚度相同，支撑板中心位置铣槽，尾端是圆形，这样可以减少应力集中，以往研究者在都加工成方形[13-14,18-19]。由面板材料和芯层可以制作3种试件，试件材料、结构和参数见表1。

图1 木质基互锁格栅夹芯结构胞元Fig.1 Wood-based interlocking grid sandwich cell structure

表1 试件尺寸Tab.1 Unit cell size design mm

(1)

1.3 试件制备

木质基互锁格栅夹芯结构胞元试件的制作过程，如图2所示。

图2 木质基互锁格栅夹芯结构胞元制备方法Fig.2 Method for manufacturing the wood-based interlocking grid sandwich cell structure

首先，按设计尺寸铣削芯材和面板；然后将芯材交叉安装，2块芯板相互垂直；将胶黏剂涂抹于面板沟槽和芯材上下边；最后将芯材插入面板的沟槽中，用扁钳对试件施加适当压力。72 h后将试件取下，完成试件的制作。制作好的试件如图3所示。

图3 木质基互锁格栅夹芯结构胞元试件

2 试验结果

2.1 原材料力学性能

依据GB/T 31264—2014《结构用人造板力学性能试验方法》进行试件原材料的力学性能测试，其结果见表2。

2.2 平压测试

依据GB/T 1453—2005《夹层结构或芯子平压性能试验方法》，将试件放置于万能力学试验机中进行垂直方向压缩测试，加载速度为1 mm/min。试件的破坏状态，如图4所示。试件的破坏形式主要为支撑板的破坏。由于芯材选用的是指接落叶松，因此，试件破坏的主要形式是支撑板指接处发生折断，而在非指接部分发生顺纹劈裂。由于3种试件的面板材料不同破坏形式也就不同。Larch面板在接触处发生折断,Plywood面板在接触处发生分层,OSB面板没有破坏，但在平压载荷作用下密度变大。3种试件压缩后胞元整体没有发生破坏，但试件的面版与芯层都发生了不同程度的破坏，胞元试件高度减小。

表2 原材料的力学性能

图4 木质基互锁格栅夹芯结构胞元破坏状态Fig.4 Wood-based interlocking grid sandwich cell structure failure

3 结果与分析

3.1 承载能力分析

木质基互锁格栅夹芯结构胞元试件的荷载位移曲线，如图5所示。由图5中可以观察到，试件的荷载-位移曲线大致可以分为3个阶段，即弹性阶段、屈服阶段和峰值荷载后的下降阶段。在弹性阶段，曲线陡峭上升，可以近似为直线，到达峰值后曲线开始下降；在弹性阶段Larch+ Larch组合试件曲线的近似线性度没有其他组合试件的线性度高。导致这种现象的原因是这种组合使用的材料属于实木，是各向异性材料，每个方向承受载荷能力各不相同，而其他组合中面板使用的材料都属于木质基复合材料，在生产加工过程中都已经将原材料的各向异性特性降到最低[24]。以OSB为面板的试件，在弹性阶段曲线比较陡峭且有良好的线性度。这是由OSB材料的自身特性决定的，OSB的刨花在上、下两表面呈纵向排列，中间芯层呈横向排列，这种纵横交错的排列方式决定了OSB在受外界环境影响的时候能够做到稳定不变形，这种重组木质纹理结构的工艺消除了木材的各向异性，其纵向抗弯强度要远远大于横向抗弯强度。

Larch+ Larch组合试件的载荷位移曲线在弹性阶段位移1.5 ～7.0 mm区间呈现较好的线性，随载荷增加芯层中支撑板在接指处发生折断，到达极限载荷时在面板与支撑板相接触部分面板发生劈裂。

Plywood+ Larch组合试件的载荷位移曲线在弹性阶段有较好的线性度，随载荷增加芯层中支撑板在接指处发生劈裂，离中心远的边缘劈裂程度越大，到达极限载荷时在面板与支撑板相接触部分，面板发生分层破坏。

OSB+ Larch组合试件的载荷位移曲线在弹性阶段斜率较大且呈现出较好的线性，随载荷增加芯层中支撑板在接指处发生劈裂和折断，离中心远的边缘劈裂和折断程度越明显，在试件的加载过程中面板没有发生明显破坏。

图5 试件的位移载荷曲线Fig.5 Displacement load curve of specimens

3.2 力学性能

压缩强度是材料的一个重要力学量，表示材料结构抵抗外力破坏的能力。用于计算抗压强度的具体公式为

(2)

式中：σ为压缩强度，MPa；Pmax为最大压缩载荷；a为试件的长度，mm。

用于计算压缩模量的公式为

(3)

式中：E为压缩模量，GPa；ΔP为压缩曲线弹性部分的载荷增量；ε为试件变形量。

比强度是指结构材料在单位体积单位质量的强度，其大小为材料在断裂点的强度与相对密度之比。比强度σss为

(4)

载荷质量比定义为

(5)

式中：λ为载荷质量比；Fmax为试件结构承受的最大载荷，N；m为试件的质量，g。

木质基互锁格栅夹芯胞元结构试件在平面压缩状态下的性能对比，如图6所示。OSB+Larch组合试件在承载能力、压缩强度、比强度及质量载荷比4个方面的性能都优于另外2种结构。可以得出，在胞元体积相同的条件下木质基互锁格栅夹芯结构的性能与其密度之间是非线性相关。因此，改变木质基夹芯结构的面板材料可以有效提高木质基夹芯结构的力学性能。

图6 3种试件力学性能对比Fig.6 Comparison of mechanical properties of three specimens

3.3 理论分析

木质基互锁格栅夹芯胞元结构试件在外部载荷作用时，结构受力如图7所示。受力分析假设条件为结构材料在弹性变形区间内。

图7 支撑板受力分析Fig.7 Force analysis of support plate

依据公式(6)可以计算出结构在力矩、剪力和轴力共同作用下的变形量(Δ)。

(6)

图8 面板受力分析

从木质基互锁格栅夹芯胞元结构试件的支撑板和面板受力分析可以得出，理论计算出结构外边缘的偏心矩最大，结构中心部分偏心矩最小。这一计算结果与试验试件的破坏程度恰好一致。离中心载荷距离越远结构所受应力越大破坏越严重，与载荷重合的结构中心整体应力最小，破坏也最小。

3.4 有限元仿真

有限元仿真分析是为了更有效地展示夹芯结构在外载荷作用下的受力状态。在准静态压缩下仿真模型有2种恒定速率下的动态变形过程预测，如图9所示。图9(a)中对试件的上下面板施加大小相等方向相反的外部载荷，图9(b)中对试件的下面板刚性固定，对上面板施加外部载荷。这2种加载情形，第2种与试验过程相同。本研究的有限元分析是基于Auto Inventor软件，有限元分析模型几何结构参数与试验试件相同。

图9 2种恒定速率压缩载荷Fig.9 Two compressive constant rate loadings

仿真分析模型选择实体单元为C3D4(4节点四面体线性完全积分单元)，模型中的各个组成部件之间选择胶合连接。在建筑工程结构设计中，通常采用安全系数来反映结构的安全程度。可以根据安全系数判断出结构破坏状态和破坏顺序。木质基互锁格栅夹芯胞元结构的仿真结构安全系数分布如图10所示。仿真过程中可以看到，模型的应力首先发生在支撑板与上下面板相接触的区域，随着外部载荷的增加支撑板上的应力从上下面板同时向中间区域逐步扩大。同时上面板在接触区开始产生形变向四周扩大变形，支撑板应力从边缘向中心逐渐扩大直至整个面板。仿真结果与试验时试件的破坏结果一致。

Fig.10 仿真结构安全系数分布图Fig.10 Distribution diagram of safety factor of simulated structure

3.5 性能分析

比能量吸收值，即单位质量结构材料吸收的能量，是能量吸收过程中材料利用效率的一种度量，数值越高越好。木质基互锁格栅夹芯结构胞元的比能量吸收值，如图11所示。图11中虚线部分为本研究的木质基互锁格栅夹芯胞元结构试件，其余为木质基复合材料的方形夹芯结构试件。图11中试件组成材料有Flax/PP(comingled flax fibre reinforced polypropylene)、Flax/PLA(comingled flax fibre reinforced polylactide)[18]、Jute fabrics/epoxy[19]、OSB、Plywood和Larch。图11中木质基互锁格栅夹芯胞元结构试件的比能量吸收值为0.498、0.618、1.841 kJ/ kg。试件中OSB+Larch组合的比能量值与图中复合材料Flax/PP和Jute fabrics/epoxy的值相接近，但结构的相对密度却远小于复合材料。因此，木质基互锁格栅夹芯结构具有质量轻强度高的特点，可以将其用于建筑结构中。将木质基夹芯结构应用于建筑行业可以得到质轻高强、集功能设计及大空间于一体的建筑结构材料，使建筑材料的消耗得以减缓。建筑材料占全球一次性能源消费的23%，每年消耗材料近600亿t。在全球范围内，材料消费在20世纪内增长了8倍，预计这个数字在未来40年将翻一番，这将导致更多的不可再生原材料的消费[25-26]。木质基夹芯结构材料作为一种材料应用于建筑行业，可以实现被动式建筑向主动式或半主动式建筑转化，有利于现代建筑结构的发展。

图11 木质基夹芯结构比能量吸收图Fig.11 Specific energy absorption of wood-based sandwich structure

4 结论

通过对木质基互锁格栅夹芯胞元结构3种材料组合试件的静态平压测试，得出以下结论。

(1) 木质基互锁格栅夹芯胞元结构的压缩强度优于自身组成材料。3种组合试件的破坏模式较为相似，破坏形式为支撑板在指接处折断，面板开裂。破坏位置主要从芯层支撑板与面板相接触的交叉处开始，这是由于芯层与面板接触的交叉处是结构强度最薄弱的地方。

(2)在芯层材料、结构及尺寸都相同的条件下，木质基互锁格栅夹芯胞元结构的力学性能与面板材料密切相关。在平面外压缩载荷作用下，支撑板是受力主体，但面板材料决定了结构的承载能力。3种组合中OSB+ Larch组合试件在承载能力、压缩强度、比强度、质量载荷比及比能量吸收方面都高于另外两种组合。

本次研究的试件具有较大尺寸，建筑结构组件中可以较为方便地使用，同时还可以根据建筑结构应用场所对试件结构尺寸的要求进行调节。如果采用数字化木材加工技术加工试件，不仅可以最大程度减少木质基材料在加工过程中的误差而且还可以进行定制加工，形成数字创新和艺术设计相结合的轻质木结构建筑。同时，夹芯结构芯层的拓扑结构和面板材料的增强都将是今后研究工作的方向。