论文总字数：21776字

摘 要

铝蜂窝板是一种常用的轻质、隔声材料，其整体的抗弯强度和抗压能力都很好，而且具有很轻的质量，在相同强度要求的前提下，蜂窝板具有很轻的质量，况且铝合金本身的密度就很低，所以铝蜂窝板的质量性能是非常好的；另外一方面，铝蜂窝板具有很好的隔声性能，这主要是蜂窝芯层正六边形空腔的作用，这一层空腔大大减小了蜂窝板的传声性能，同时还有一定的绝热性能。铝蜂窝板是一种很有利用前景的材料，在航天、军事和建筑中都有很多运用，这些运用不断的牵引着我们去研究它、探索它，很多理论都已经完善，但有的方面还在探索，我就铝蜂窝板的声传递特性做比较浅显的探索，希望能够为以后的探索有一点贡献。

本文就铝蜂窝板的声传递特性进行研究，蜂窝板声传递的研究的理论是围绕六边形蜂窝芯层结构的铝蜂窝板开展的，这复合实际情况，也有使用价值，不过对蜂窝板的发展并没有实际的影响，要想开发新的蜂窝板结构，一定要大胆尝试，在本文中对蜂窝板的理论部分进行一定的展开，从六边形蜂窝入手，尝试三边形、四边形结构的蜂窝形式，对这两种形式的蜂窝结构进行探索，探讨它们和六边形结构的蜂窝有什么不同，有什么优点和缺点。

蜂窝板的重点是蜂窝芯层，它能够有各种各样的优点也是因为它的蜂窝芯层，要研究蜂窝板，就一定得研究蜂窝芯层的构造，改变蜂窝芯层的结构或者是材料都能对蜂窝板的整体性能有很大的影响，大胆尝试双层和多层蜂窝板隔声性能，对蜂窝板的内部结构进行改造尝试，利用喇叭原理来改进蜂窝板的性能。

关键词：铝蜂窝板；参数量化；胶层；精确模拟；冲击试验；有限元；显式非线性；冲击优化

Abstract

Aluminum honeycomb panel is a kind of commonly used light, sound insulation materials. The overall flexural strength and compressive strength are very good, but also has very light quality, under the premise of the same strength requirements, honeycomb board has a very light quality, moreover, aluminum alloy density is very low, so the quality and performance of the aluminum honeycomb panel is very good; on the other hand, aluminum honeycomb panels with good sound insulation performance. This is mainly honeycomb core layer is the role of a hexagonal cavity, the cavity greatly reduces the acoustic characteristics of the honeycomb panel, at the same time, there are certain heat insulation performance. Aluminum honeycomb panel is a kind of good prospects of the use of materials, in the aerospace, military and construction has many uses, use the constant pull us in to study it, explore it. Many theories have been improved, but some aspects are still exploring, I aluminum honeycomb panel acoustic transfer characteristics do relatively shallow exploration, hope to have some contribution to the future exploration.

Start with the theory of plate development around is the theory of acoustic transmission, in this paper, aluminum honeycomb panel acoustic transmission characteristics of honeycomb board of hexagonal honeycomb core layer structure of aluminum honeycomb panel to carry out, which combined with the actual situation, also has use value, but of honeycomb board and not the actual effect to the development of new cellular structure must be bold attempt, in this paper the honeycomb panel part of the expansion, the hexagonal honeycomb, try trilateral, quadrilateral structure of honeycomb form of this two kinds of forms of the cellular structure to explore, discuss them and hexagon structure of honeycomb what is different, what are the advantages and disadvantages.

Honeycomb board is focused on honeycomb core layer, it can have a variety of advantages but also because of the honeycomb core layer, it is necessary to study honeycomb panel, it must of honeycomb core layer structure, change honeycomb core layer structure or material had great influence on the overall performance of honeycomb board, bold attempt to double and multilayer honeycomb board sound insulation performance, to reform the internal structure of honeycomb board, by means of a horn theory to improve the performance of honeycomb board.

目录

第1章 绪论 6

1.1. 研究背景 6

1.1.1. 蜂窝夹层板简介 6

1.1.2. 蜂窝板的性能特点及工程应用 6

1.2. 研究现状 7

1.3. 本文研究内容 7

第2章 蜂窝夹层结构面内等效弹性参数分析研究 8

2.1 引言 8

2.2 蜂窝芯层等效参数理论推导 8

2.2.1 横向弹性模量Ecx 9

2.2.2 竖向弹性模量Ecy 10

2.2.3 垂向弹性模量Ecz 12

2.2.4 面内剪切模量Gcxy 12

2.2.5 面外剪切模量Gcyz 15

2.2.6 面外剪切模量Gcxz 15

2.2.7 等效体密度ρc 16

2.3 夹层参数对蜂窝芯等效参数的影响 17

2.3.1 软件介绍 17

2.3.2 参数影响分析 17

2.4 小结 20

第3章 蜂窝夹层结构声传递特性研究 21

3.1 引言 21

3.2 声学理论 21

3.2.1 声学基本变量 21

3.2.2 声学Helmholtz波动方程 21

3.3 仿真算例 23

3.3.1 软件介绍 23

3.3.2 模型建立 23

3.3.3 网格划分： 23

3.3.4 分析过程 24

3.4 小结 26

第4章 蜂窝夹层板的改进设想 27

4.1 引言 27

4.2 特殊结构的蜂窝板及创新想法 27

4.2.1 特殊材质 27

4.2.2 正方形网格板 27

4.2.3 波浪空间网格板 28

4.2.4 防弹装置 32

4.3 小结 32

第5章 总结 33

参考文献： 34

绪论

研究背景

蜂窝夹层板简介

现代材料技术的发展迅猛，出现了很多性能优越的复合材料，其中蜂窝夹层复合材料以其优越的性能成为材料领域的一大热点[1]，其比强度高、隔声隔声和耐循环荷载的能力都无可替代。蜂窝夹层结构由上、下蒙皮和中间芯层组成。其中上、下蒙皮层是具有高强度的合金材料，中间芯层是由结构密度和面内强度相对较低的材料或结构形式构成，这样使整个夹层结构具有较高的比强度，还有一个作用是将上、下蒙皮隔开一定的距离，增加弯矩，使夹层结构具有一定的抗弯刚度，目前夹层结构芯层的形状有正六边形、正方形、三角形和圆形等。

铝蜂窝夹芯板是仿生材料，通常蜂窝夹层结构是由上、下两层面板和正六边形蜂窝芯层组成，采用高强胶水将上、下两层面板分别和中间蜂窝芯层牢固地粘接在一起（参见图1-1：铝蜂窝板结构示意图）。铝蜂窝夹芯板的声传递性能特点是蜂窝芯层产生的空腔层，而蜂窝板上下板面的主要作用是对声波的阻碍作用，蜂窝芯和面板牢固地结合在一起，在计算蜂窝板的隔声性能的时候，需要考虑上下板面和芯层之间的连接刚度[2]。蜂窝板结构还具有很好的力学性能，蜂窝夹层结构面板起着工字梁翼缘的作用，而蜂窝芯层起着腹板的作用。在整个蜂窝夹层结构中，蜂窝芯层的存在增加了上下面板之间的距离，从而增大了夹层结构截面惯矩，提高了结构的弯曲刚度。同时由于蜂窝芯层等效密度小，在同样承载能力的条件下，蜂窝夹层结构的结构重量比非夹层结构的结构的重量要轻。根据蜂窝芯材的不同，蜂窝板芯层材料通常包括铝合金、布料、纸材、玻璃钢和陶瓷蜂等[3]。

图1-1 蜂窝板结构示意图

蜂窝板的特点是在蜂窝芯层，蜂窝的形状有六边形、四边形、圆形和三角形，其中六边形运用最多，制造技术也最成熟，是现在普遍使用的一种，六边形是蜂窝本身的结构，蜂窝采用这个结构是因为需要使用其中的空间，而六边形比较容易建造，而且有比较大的空腔，可以用来安放他们的孩子，而实际使用不是为了有使用空间，而是为了提高强度、减小质量、增强隔声隔热性能，所以不应该盲目的仿生，做科学，应该以实际使用为基础，结合实际，适当采用灵感，用最小的代价，做出最好的东西。

蜂窝板的性能特点及工程应用

1) 蜂窝板的性能特点：

蜂窝这种结构的材料有很多独特的性能，但是也有不少缺点。蜂窝层的厚度提高了抗弯计算公式里面的弯矩，而且质量增加会很增加很小，抗弯性能甚至比同样厚度的材料要好；蜂窝板的空腔减小了蜂窝板的质量，也使得蜂窝板具有隔声隔热的性能，相比金属板，蜂窝结构有很好的隔声隔热性能，如果蜂窝芯层是采用木材或者是塑料的话，隔热和隔声性能会更加的良好，但是质量会有所增加；蜂窝板轻质是一个强大的特性，同样的用途，有更轻的质量，这是绝对的优势，而且质量轻也就意味着材料使用比较低，可以说这是一种比较环保的材料；可循环利用也是蜂窝板的一个性能，蜂窝板上下版面是金属薄板，蜂窝芯层一般也是金属，他们在被破坏之后还可以回炉再次加工成为蜂窝板，而且没有质量的损耗，是很符合环保概念的一种材料。

2) 蜂窝板在工程上的运用：

铝蜂窝板的主要用途是建筑幕墙外墙的挂板、室内装饰用材、广告牌行业、室内隔断、运输车和货柜车车体以及各类公共汽车、火车、地铁等，在航天器、飞机、船舶和土木方面也有很好的运用，飞机、航天器和船舶一般都是军方的研究范围，土木方面的运用是现在最新的发展；混泥土结构有很大的密度，在梁和板结构里面，这么大的密度是很大的一个缺陷，由于自身质量很大，这就需要付出代价来支持这部分质量，而蜂窝结构正是减小混泥土结构的一种尝试，蜂窝板楼板结构和空心梁是混泥土结构和蜂窝板结构的完美结合，特别是蜂窝板楼板结构，不仅减小了楼板的质量，增强了楼板的抗裂性能，还使得楼板有很好的隔声隔热性能。空心梁有一定的运用，但是并不多，因为空心梁的制作比较难，而且效果并不是很明显，而且已经有工字梁代替其位置，所以并没有多少进展，现在用得最多的行业是装饰行业，这是因为铝蜂窝板兼具轻质、易加工和美观的性能。

3) 蜂窝板的缺陷：

事物的优缺是相依相存的，有优点，自然也就有优点，蜂窝板具有一些人们需要的优点，但是同时它也有一些人们不需要的缺点；1、铝蜂窝板是比较封闭的空腔系统，由于安装工艺是将铝蜂窝板用安装码直接固定在龙骨上面，再加上蜂窝板具有隔热的作用，上下板面的温差比较大，所以将会使得蜂窝板产生温度应力，容易使蜂窝板发生翘曲；2、由于结构的复杂性，导致加工速度比较慢；3、现在上下表面和蜂窝芯层的连接方法是胶粘，采用的胶水是聚氨酯、环氧树脂类反应型固化粘接剂，聚氨酯的耐温性差，施胶的时候，对空气湿度很是敏感，对加工场地的环境要求很高；环氧树脂的缺点是粘接处比较脆，剥离强度比较低，容易导致脆性剥离，而且不耐循环剥离荷载，长期震动很容易发生分层现象；4、局部刚度较低，表面无法承受锋利尖锐的硬物施压，容易被刺穿；5、可修补性差，一旦被破坏，就得从新更换，不能修补，不如平板材料可以修补。

研究现状

Allen早期提出的蜂窝芯简化模型[4]得到广泛运用，这种模型假定蜂窝芯处于反平面状态，忽略面内刚度和弯曲刚度，只能抵抗横向切应力；上、下蒙皮极薄的蜂窝板服从Kirchhoff假设，忽略对横向剪切应力的抵抗能力，只能承受面内应力；这种模型忽略了面内刚度和弯曲刚度，在一定条件下会产生较大的误差。后来提出一些考虑面内刚度的蜂窝芯层模型，这些模型将夹芯视为服从剪切变形理论的正交各向异性层[5]，先确定蜂窝板芯层的等效材料参数，再对其进行求解。Gibson 提出的胞元材料理论[6]是蜂窝芯层等效参数研究工作的根据，分析时假设x方向和y方向厚度一致，由材料力学的有关公式推导出解析式。本文以正六边形蜂窝板为研究对象，推导其等效参数随蜂窝芯层壁厚、正六边形边长和蜂窝芯层厚度的变化曲线，任等[7]分析了曲线变化的规律，得出蜂窝芯层的3个参数对其声振耦合行为有着非常显著的影响，结构的共振频率随蜂窝芯层厚度增加而增大，随着蜂窝壁厚增加先增加后减小，随着声压入射角变化不尽相同。

蜂窝板芯层所处的工况环境使其经常面临振动荷载和声压荷载激励，所以有必要对其振动和隔声性能深入研究。蜂窝板结构振动特性的研究有Reissner理论， Hoff理论以及杜华庆理论[8]，这些理论考虑的结构振动和声学耦合的研究还不够充分。根据中厚板理论[9]考虑结构的剪切变形，王等[10]建立了无限大正交异性层的振动控制方程，其中剪切刚度对蜂窝板的声传递特性影响显著，在对蜂窝板理论建模和优化设计时不能忽略。Xin等[11]建立了有限大双层隔板结构（层芯为封闭的空腔）的理论模型，考虑上下板面与芯层的相互作用，实现了含边界条件对此种结构的全面考察，还发现声速势能法具有很好的拓展性；，Ruzzene[12]利用 Hamilton变分原理建立了蜂窝芯层的振动和声传递特性的有限元模型，这种模型提高了数值计算的精度，并且减少了单元数量。

本文研究内容

本文围绕铝蜂窝板等效弹性参数及声传递特性展开研究，通过了解蜂窝板的背景、制作和研究现状，来简单介绍蜂窝板；主要部分是蜂窝板声学理论和蜂窝板数值模拟，蜂窝板声学原理主要是声学部分基本知识，包括声学基本量：声压、声波的能量、声功率和声强等等，简单的介绍计权声压，根据书本知识，假定流体介质是理想的非粘性介质，通过声波的连续方程、运动方程和物态方程来推导Helmholtz波动方程，对于Helmholtz波动方程的解，需要根据不同的边界条件来确定，声场的分类还有耦合问题。对于Helmholtz方程，用声学有限元和声学边界元的数值方法能够得到满足其边界条件的解，形函数的表达和声学有限元的系统矩阵等，另外还会对耦合声学有限元做一点简单的介绍。蜂窝板各项参数的等效，由于蜂窝板的计算是模拟仿真，为了计算可进行性，需要采用等效参数来简化模型。实验，实验时以数值模拟为基础，基于Virtual lab声学计算的有限元模块下的模拟仿真实验，用有限元的方法划分区域网格，建立蜂窝板等效模型，对该模型进行声学计算即可，对得出的结果进行分析。

蜂窝夹层结构面内等效弹性参数分析研究

引言

铝蜂窝板是由上、下板面中间夹一蜂窝的夹心所构成复合材料，具有比强度高、比刚度高、隔声隔热、耐循环荷载和防腐等性能，铝蜂窝板的上、下板面为高强度的铝合金薄板；夹芯层是正六边形的蜂窝结构，材料是铝蜂窝薄片，广泛运用于航天、航空和建筑等领域，这些领域对材料的隔声性能有很高的要求，故有必要就蜂窝板的声传递特性进行研究。蜂窝板的声传递特性与蜂窝板上下板面材料、厚度有关，还与蜂窝板芯层的厚度、芯层壁厚、声压入射角等有关，研究这些参数和蜂窝板声传递特性的关系，对实际生产作出理论支撑。

蜂窝芯层等效参数理论推导

在实际生产中，蜂窝板芯层的蜂窝壁厚是不均匀的，这是由于现在使用的生产工艺是采用粘贴、拉伸的方法，也就是说在粘贴的部分，厚度就会是没有粘贴位置的两倍加胶层厚就像下面的图片一样，竖向蜂窝芯层壁厚是斜向壁厚的两倍。以水平向右方向为X正方向，竖直向上方向为Y正方向建立坐标系，这里忽略胶层的影响，记竖直向上的蜂窝芯层壁厚为2t，斜方向蜂窝芯层壁厚为t。

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