陶瓷薄板-铝蜂窝复合幕墙面板温度变形有限元分析

梁伟金 杨蓉

（广东工商职业技术大学建筑工程学院）

陶瓷薄板-铝蜂窝复合幕墙面板是通过将陶瓷薄板与铝蜂窝复合板组成的新型环保建筑装饰材料。目前，陶瓷薄板面板已广泛应用于幕墙装饰工程，得益于其良好的力学性能和装饰效果[1-2]。铝蜂窝板作为航空航天领域应用材料，具有重量轻、比强度高、隔音隔热、节能环保等优点[3]。陶瓷薄板-铝蜂窝复合板充分发挥了复合材料的优势，综合了陶瓷薄板和铝蜂窝板的优越性能，因而应用于幕墙面板时将具有更好的抗风压与减震性能。但在实际工程应用中，陶瓷薄板-铝蜂窝复合幕墙面板施工变形不易控制，在受环境温度变化的影响时，由于陶瓷薄板及铝蜂窝板的热膨胀系数相差较大，在内部和外部约束下，复合板将产生较大温度应力，并引起较大的附加形变，影响施工与整体装饰效果。

鉴于此，为使其广泛应用于幕墙装饰首要解决的难题是有效控制复合板基本构造温度变形的影响。本文基于ANSYS 模拟软件[4]进行简便有效的有限元分析，通过参数化建立模型，分析在温度荷载作用下，铝蜂窝芯尺寸和蜂窝蒙皮板对复合板变形量的影响，为减小温度变形提供技术控制措施，对于将陶瓷薄板-铝蜂窝复合板广泛应用于幕墙面板装饰有一定的借鉴与参考作用。

1 复合板温度应力耦合模型的建立

1.1复合板模型参数

复合板基本构造见图1，其中I为陶瓷薄板，II为蜂窝板上蒙皮，III 为铝蜂窝芯，IV 为蜂窝板下蒙皮，V 为胶粘结剂。陶瓷薄板与铝蜂窝板通过胶粘结剂粘接，铝蜂窝板由铝蜂窝芯和上下蒙皮（铝板、钢板、玻璃纤维板）复合而成。

为简化有限元分析模型，忽略胶粘剂的影响，假设陶瓷薄板与铝蜂窝蒙皮板、蜂窝芯与铝蜂窝蒙皮板粘结完好无缺陷，层间剪切和位移变化是连续的。同时，将蜂窝芯等效为等厚度的匀质材料，在考虑芯格壁厚伸缩变形下面内等效弹性模量按式（1）近似计算[5]

其中Ed为蜂窝芯材料的弹性模量，t和l分别为六边形蜂窝芯格的壁厚和边长。

复合板模型具体尺寸如表1，根据技术规范[2,6]得到复合板材料的物理性能参数如表2。

表1 复合板模型具体尺寸

表2 材料的物理性能参数

1.2边界条件

以郑州市幕墙装饰工程为例，根据GB50009-2012《建筑结构荷载规范》近50 年郑州市基本气温可知，郑州市冬天的最低基本气温为-8℃，夏季的最高基本气温为36℃。在GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》中，冬季室内控制温度规定为18℃，夏季室内控制温度规定为26℃。因此，考虑将室内控制温度作为初始温度，基本气温作为均匀温度荷载，则夏天的温度边界条件为初始温度26℃，温度荷载36℃；冬天的温度边界条件为初始温度18℃，温度荷载-8℃。模型位移边界条件设置为四边简支，从而进行几何非线性分析。

2 复合板温度变形有限元分析与结果

基于ANSYS软件APDL参数化有限元模拟分析，通过选定单元类型，建立模型，输入模型参数，设置边界条件，后处理计算求解出复合板最大变形。采用基于APDL 的参数化界面，方便快捷地进行大量不同参数的复合板温度变形模拟及分析。参数方案设置与模拟计算结果如表3。

表3 参数方案设置与模拟计算结果

2.1铝蜂窝芯尺寸对复合板温度变形的影响

通过改变铝蜂窝芯尺寸（芯格壁厚、芯格边长），调节铝蜂窝芯等效弹性模量，分析在温度荷载作用下，铝蜂窝芯尺寸与复合板变形量之间的关系，以获得较小变形的复合板结构。

从表3 可以看出，整体复合板温度变形量与蜂窝芯等效弹性模量呈反比，当蒙皮板为铝合金板和镀铝锌钢板时，蜂窝芯等效弹性模量对整体复合板温度变形量的影响较大，从模型温度变形情况来看，增加蜂窝芯等效弹性模量可以有效减小温度对整体复合板的变形。

图2、图3 分别为整体复合板温度变形随铝蜂窝夹芯格壁度及铝蜂窝夹芯格边长的变化曲线。从图中可以看出，铝蜂窝夹芯格壁厚与整体复合板温度变形呈反比，铝蜂窝夹芯格边长与整体复合板温度变形呈正比。当蒙皮板为铝合金板和镀铝锌钢板时，增加蜂窝芯壁厚、减小蜂窝芯边长均可有效减小温度变形。而当蒙皮板为玻璃纤维板时，铝蜂窝芯尺寸的改变对整体复合板温度变形影响较小。另一方面，增加蜂窝芯格壁厚，减小蜂窝芯格边长会使蜂窝夹芯质量有所增加，不利于整体复合板的轻量化应用，所以应在合适质量范围内选择适当铝蜂窝芯尺寸。

图2 铝蜂窝芯格壁厚与温度变形量的关系曲线

图3 铝蜂窝芯格边长与温度变形量的关系曲线

2.2蜂窝蒙皮对复合板温度变形的影响

保持铝蜂窝芯尺寸不变，采用不同蜂窝蒙皮（铝合金板、镀铝锌钢板、玻璃纤维板），分析在温度荷载作用下，蜂窝蒙皮板种类与复合板变形量之间的关系，以获得较小变形的复合板结构。

从表3 可以看出，当蜂窝芯格壁厚0.06mm 时，在不同蒙皮材料时整体复合板温度变形量大小为：玻璃纤维板<铝合金板<镀铝锌钢板；当蜂窝芯格壁厚0.1mm 和0.2mm 时，在不同蒙皮材料时整体复合板温度变形量大小为：玻璃纤维板<镀铝锌钢板<铝合金板；蒙皮板用玻璃纤维板时整体复合板温度变形量远小于用铝合金板和镀铝锌钢板的变形量，这是因为玻璃纤维板的线膨胀系数与陶瓷薄板的相差较小，温度荷载变化时相对形变较小，从而温度应力引起的附加变形较小。

3 结论

⑴ANSYS 有限元模拟分析软件能够较为真实、有效地模拟复合板受温度变化而发生形变的过程，虽然模型尺寸、边界条件的选取对实际结果有一定影响，但可为后续试验和实际工程应用提供参考比较，节约试验成本。

⑵增大铝蜂窝芯等效弹性模量可以有效减小复合板温度变形。通过增加蜂窝芯格壁厚，减小蜂窝芯格边长可提高铝蜂窝芯等效弹性模量，从而减小复合板温度变形，但考虑复合板的轻量化应用，应在合适质量范围内选择适当铝蜂窝芯尺寸。

⑶蜂窝蒙皮材料的选择对复合板温度变形的影响很大，玻璃纤维板蒙皮因其线膨胀系数与陶瓷薄板的相差较小，从而选择玻璃纤维板蒙皮可以有效降低整体复合板温度变形。在实际工程中可考虑试验研究玻璃纤维蜂窝板与陶瓷薄板复合的应用。