夹层结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子胶接而成。

一般面板采用强度和刚度比较高的材料，芯子采用密度比较小的材料，如蜂窝芯、泡沫芯和波纹板芯等（如图10.4.1所示）。

夹层结构具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音和隔热等优点，因此在飞行器结构上得到了广泛应用。

对结构高度大的翼面结构，蒙皮壁板（尤其是上翼面壁板）采用蜂窝夹层结构取代加筋板，能明显减轻质量；对于结构高度小的翼面结构，如操纵面，采用全高度夹层结构代替梁肋式结构，能带来明显的减重效果。

以复合材料层合板为面板的夹层结构，由于材料的相容性，目前普遍采用Nomex 蜂窝芯子。

图10.4.1 蜂窝夹层结构示图10.4.1 夹层结构的破坏模式与设计准则（1）夹层结构破坏模式夹层结构各种破坏模式如表10.4.1所示。

实际上，结构破坏时几种破坏模式可能同时存在。

此外，夹层结构对低能量冲击和湿热环境敏感，且修补较困难。

设计时，要对各种可能破坏模式进行强度计算，还要进行防潮密封等设计。

（2）夹层结构设计准则夹层结构设计，必须使其在设计载荷作用下满足强度和刚度要求，即:1) 在设计载荷下，面板的面内应力应小于材料强度，或在设计载荷下，面板应变小于设计许用应变。

对于复合材料面板：设计外加载荷=设计载荷。

其中， n 是安全系数，是考虑附加湿热影响的载荷放大系数，。

2) 芯子应有足够的厚度（高度）及刚度，以保证在“设计外加载荷”下，夹层板不发生总体失稳、剪切破坏以及过大的挠度，并保证不发生胶接面剪切破坏。

3) 芯子应有足够的弹性模量和平压强度，以及足够的芯子与面板平拉强度，以保证在“设计外加载荷”下，面板不发生起皱失稳。

4) 面板应足够厚，蜂窝芯格尺寸应合理，以防止在“设计外加载荷”下发生芯格壁失稳及面板发生格间塌陷（即格内面板失稳）。

5) 应尽量避免夹层结构承受垂直于面板的平拉或平压局部集中载荷，以防止局部芯子压塌或镶嵌件拉脱。

当集中载荷不可避免时，应采取措施，将载荷分散到其他承力构件上去。

6) 胶粘剂必须具有足够的胶接强度，同时还要考虑耐环境性能和老化性能。

7)碳纤维层合面板与铝蜂窝芯子胶接面要注意防止电偶腐蚀问题。

（通常用一层玻璃纤维布将两m n f ⨯⨯m f 15.1~06.1=m f者隔开再胶接到一起。

8) 对雷达罩等有特殊要求的夹层结构，面板、芯子和胶粘剂选择必须考虑电性能、阻燃、毒性和烟雾等特殊设计要求。

表10.4.1夹层结构破坏模式10.4.2 夹层结构及其选材（1）面板为了避免拉弯耦合效应和固化后引起翘曲变形，上、下面板一般具有相同材料和相同厚度。

对于复合材料，还要使面板铺层相对夹层板中面为镜面对称。

面板选用的材料有：1）铝合金。

如2A12-T4等，视各蜂窝夹层板受载情况的不同，面板厚度最薄为0.15mm，通常选用0.3mm，0.4mm，0.5mm或更厚；2）碳纤维复合材料。

目前常用M40/环氧复合材料、M55J/环氧复合材料等层合板以及M40/环氧和M55J/环氧复合材料的网格面板；3）凯芙拉（Kevlar）纤维复合材料。

为满足电磁波的透波要求，可选用凯芙拉纤维/环氧复合材料，常用的是Kevlar49/环氧复合材料。

4）玻璃布复合材料，如高弹玻璃布/环氧复合材料等。

（2）芯子芯子材料选择应遵循的原则有：芯子材料密度低，有足够的强度和刚度；胶接性能好；与面板的电性能相匹配，避免电偶腐蚀；工艺性能良好，价格低。

对于某些特殊构件，要考虑芯子的电性能、导热性能以及阻燃、防毒和防烟雾性能等。

电性能、导热性以及阻燃、防毒和防烟雾性能等。

蜂窝芯子有铝蜂窝，玻璃纤维蜂窝以及芳纶纸蜂窝（即Nomex蜂窝）。

芯子形状有正六边形、长方形等，一般采用正六边形。

Nomex蜂窝是常用的非金属材料蜂窝，尽管它的模量比同密度的铝蜂窝低很多，强度比铝蜂窝略低，但它有良好的韧性及抗损伤能力，特别是局部损伤后不易产生永久变形。

铝蜂窝芯子材料常用5A02和美国的5052，5056和2024铝合金。

中国蜂窝芯子的标识。

例如5A06-0.03—4.0，其中各项代号相应的意义为：材料—芯格箔厚—芯格边长，即“5A06”表示铝合金牌号；“0.03”表示芯格用的箔材厚度，单位为毫米；“4.0”表示六角形芯格的边长，单位为毫米。

（3）胶粘剂夹层结构中的胶粘剂分为板芯胶、芯与骨架元件（如梁、肋）粘接胶以及芯子与芯子拼接胶三类，其中板芯胶最为重要。

选用板芯胶时要注意，胶在固化过程中会产生挥发成分，这些挥发成分会产生内压，引起局部地区脱胶或气孔；挥发气体可能使芯子裂开或使芯格变形，挥发水分对芯子及胶本身产生腐蚀或降低其性能，因此建议选用挥发成分不大于1/100的胶粘剂。

固化压力是胶接的重要参数，选用胶粘剂时应充分注意并通过一定的工艺试验。

所选胶粘剂，应使芯子与面板在贴合处形成胶瘤，即所谓“填角成形”的能力，以获得足够的胶接强度。

由于芯子加工中较难控制外形容差，所选用胶应有良好的“间隙填充”性能而无须附加强度补偿措施。

胶粘剂本身强度都远大于芯子的强度，因此，对板芯胶强度要求主要是它的韧性指标，胶接夹层结构的韧性是指在静或动载下，胶接抵抗板芯剥离的能力。

剥离强度直接反映了胶接的韧性，是夹层结构设计中必须测量的一个参数。

为了获得良好的耐环境（湿热）性能以及老化性能，板芯胶一般采用胶膜形式。

板芯胶应与其他配套胶以及相关的面板材料具有良好的相容性。

10.4.3 夹层结构设计不同的设计对成本影响极大，如图10.4.2所示的端头闭合设计，图10.4.2(a)比图（b）要好，图（c）通过增加芯子密度代替梁肋费用更低。

因此，设计者应了解制造工艺及方法，使设计的夹层结构制造成本低。

同一夹层结构可根据外载的分布情况，使用不同密度的芯子，用芯—芯胶将它们拼接。

但是，当夹层结构几何尺寸较小，芯材拼接块数较多时，拼接胶的质量往往会抵消不同密度芯子所省下的质量，这时不宜采用这种方法进行设计。

夹层结构经常使用螺接或铆接传递高载荷，但机械连接会降低夹层结构疲劳寿命，因此，设计时应尽量避免铆钉过多过密。

铆接时尽量采用压铆，减少对夹层结构的冲击。

图10.4.2 蜂窝夹层板端头闭合设计为保证芯子平滑切割，避免使用“起伏”切割（也称“松弛切割”），应根据面板应力分布，利用铺层丢层设计逐渐改变面板厚度。

蜂窝芯子切割中的外形公差可用胶膜填补。

当芯子切割形面误差较大时，可用预先固化的玻璃纤维垫板填补，如图10.4.3所示。

夹层结构胶接固化时，为增加胶接强度，要求施加一定的固化压力，压力达不到的地方，用膨胀发泡胶达到胶接的目的。

如图10.4.4所示，梁凸缘内侧与蜂窝连接处用带状泡沫胶J —118胶接。

胶带膨胀后的厚度为原厚度的2.5倍。

图10.4.3 芯子切割凹陷填补 图10.4.4 夹层结构固化压力要求夹层结构的设计步骤与设计对象及使用的分析方法有关。

目前，航空航天结构常用全高度蜂窝结构，其形面及外形复杂，夹层结构支持条件也不规则。

而有限元法具有数据反馈快、修改尺寸方便的优点，并已被广泛应用于航空航天领域，因此，有限元素法已成为夹层结构设计分析的重要手段。

结构设计的步骤如下所述。

第一步：根据外载大小，初步确定夹层结构形式及尺寸。

对于全高度翼面夹层结构，外形已固定，可选择的仅为芯子密度及面板厚度。

芯子密度可根据局部压力或吸力大小，先确定平拉或平压应力后，再按公式确定，即：按芯子的许用平压（或平拉）强度[]等于3倍平压（或平拉）应力，选择芯子规格和尺寸；面板应尽可能薄，并按层合板设计方法进行设计。

对于长宽比大于3的夹层板，初步确定其结构尺寸时，可将其等效成单位宽度的梁进行设计计算，梁的长度与板的长度相等。

第二步：根据初定结构，用有限元法（或工程设计计算方法）确定内力及支反力。

c σc c []/3σσ=c σc σ第三步：根据第二步的分析结果，按强度准则修改芯子密度及面板厚度。

第四步：根据修改后的结构尺寸，再进行有限元应力分析，并进行详细的强度校核，检查其强度。

刚度和稳定性是否满足要求。

重复第三至第四步，直至得到合适的设计结果。

10.4.4 夹层结构细节（1）边缘闭合设计边缘闭合是夹层结构设计特有的的问题，若边缘处还需与其他结构件连接，则要补强。

边缘闭合有两种基本形式：面板折成斜面闭合，（如图10.4.5）和边缘连接件闭合（如图10.4.6）。

（a）共固化（b）二次固化图10.4.5 边缘斜面闭合设计① 边缘斜面闭合设计边缘斜面闭合（补强）设计从载荷传递路线考虑有以下几点：• 斜面角度应不大于30°；• 面板在过渡区逐段增强；• 边缘厚度应大于（螺钉或铆钉）连接所需最小厚度；• 工艺可以是共固化成形，也可以二次固化成形。

② 边缘连接件闭合设计边缘连接件有槽形和Z形等剖面闭合方式。

边缘连接件与蜂窝夹层板结合面主要传递剪切载荷，接头加强区的面板应加厚，加强区的宽度应为接头胶接区宽度的2.5～3倍。

图10.4.6 边缘连接件闭合示意图（2）芯子增强设计夹层结构由于垂面载荷作用或强度、刚度要求等原因，芯子需要增强。

一般采取充填树脂胶、局部芯子加密、加入垫块或成形件等办法增强芯子，如图10.4.7所示。

图10.4.7 夹层板增强设计示意图（3）防潮密封设计蜂窝夹层结构防潮设计措施有以下两点：复合材料面板表面涂密封剂，如H101～H103封孔剂，W06-2Ⅱ底漆和Wof-1Ⅱ面0漆；密封所有水分可能浸入蜂窝芯格的通道，密封措施如图10.4.8所示。

图10.4.8 防潮密封措施当然，适当增加复合材料面板厚度，提高其抗冲击分层能力，也可减少水分浸入通道。

（4）受侧压夹层板边缘支持的设计建议夹层板受侧压作用，边缘支持设计应避免发生面板弯曲引起的平拉伸分层开裂，如图10.4.9（a）所示为不满意设计。

为此，应在夹层板边缘处将蜂窝削成斜面、面板闭合与支持结构胶接连接，结合面承受剪切载荷，如图10.4.9（b）所示为满意设计。

（a）不满意设计（b）满意设计图10.4.9 蜂窝壁板受侧压时边缘支持设计对比。