关于夹层板壳介绍

[拼音]：jiacengbanqiao

[外文]：sandwich plates and sandwich shells

夹层板和夹层壳的统称，是由两块高强度的薄表层和充填于表层间的轻质夹心组成的板和壳，是航空、航天和航海等工程中采用的先进结构形式。表层通常由金属(如钢、硬铝)、复合纤维、硬塑料等材料制成，是主要的承载部分；夹心常采用铝或不锈钢蜂窝状结构、波纹板结构、泡沫塑料填充物、轻质木板等，它们将两块表层牢固结合在一起而又不使它们相互接近，同时起着承受横向剪力的作用。图为具有蜂窝状夹心的夹层板。由于主要材料分布在受力最大的上下表层，所以夹层板壳有较高的抗弯能力，而且还具有重量轻、强度高的优点。夹层板壳不采用大面积铆接，所以能够减少应力集中，从而提高疲劳强度。适当选择表层和夹心，还可使夹层板壳获得良好的抗振、隔热、隔声等性能。

20世纪20年代有人提出关于夹层板壳的设想，但由于制造工艺复杂而未能推广。从40年代起，夹层板壳作为一种重要的结构形式出现于航空、航天、航海等工程中。C.A.诺索夫、N.J.霍夫、E.瑞斯纳、C.利伯夫和S.巴特多夫等学者，对夹层板壳的力学理论进行了广泛的研究。

夹层板壳的夹心（如蜂窝夹心、波纹夹心等）一般不是连续材料，但在研究夹层板壳的宏观问题时，可把它折合成连续材料。这样，夹层板壳就可以作为一般板壳来处理。实验表明，只要夹心构造尺寸（如蜂窝格子的边长、波纹板的波长等）远小于夹层板壳的最小平面宽度，这种处理就是合理的。严格地说，蜂窝状夹心的板壳是各向异性的，但差异不大，可近似地作为各向同性板壳来分析。

以夹层板为例，问题可归结为求解挠度ω 和垂直于中面(xy平面)的直线段在xz、yz平面内的转角ψx、ψy。为了简化上述三个量的求解，可将问题等价地化为求解两个位移函数ω和f，它们与ω、ψx、ψy之间的关系为：

式中D为夹层板的弯曲刚度；C为剪切刚度；

为平面拉普拉斯算符。

研究表明，夹层板的问题，可分解为普通板问题和几个d性地基上的薄膜问题，其中普通板问题比较简单并已为人们所熟悉，而考虑不同的薄膜问题的差别就形成不同的夹层板理论，具有代表性的是：

（1）瑞斯纳理论 假设表层是一个仅能承受自身平面的内力而不能承受弯矩的薄膜，夹心只起抗剪作用。在这种假设下，描述夹层板弯曲问题的微分方程为：

DΔΔω＝p，

式中p为分布载荷;νf为表层的泊松比（见材料的力学性能）。

（2）霍夫理论 假设表层是普通薄板，它满足基尔霍夫假设（见薄板理论），而夹心只承受剪切作用。这种夹层板的微分方程为：

DΔΔω0＝p，

式中的ω0、ω1与ω 有如下关系：

而D0＝D＋2Df，Df为表层的弯曲刚度；k则是与夹心厚度、表层厚度、C和D有关的参量。

（3）普鲁萨科夫-杜庆华理论 假设表层是普通薄板，而夹心除承受剪切外，还可通过横向d性变形承受垂直于板面的力。在此情况下，基本方程比霍夫理论多一个d性地基上薄膜的方程。

对不同的结构和不同的受力情况应采用不同的理论。一般情况下，当求解夹层板的横向位移和整体失稳等工程问题时，采用瑞斯纳理论就够了。但在求解固支边界附近的应力和集中载荷作用下的夹层板等问题时，则要采用霍夫理论，或采用普鲁萨科夫-杜庆华理论。

现有夹层壳理论就其力学模型来说与夹层板理论类似，但由于曲率的存在，壳体的内力与挠度相互耦合，基本方程的数学表达式很复杂。以瑞斯纳理论为例，对于球壳或圆柱壳，相应的偏微分方程是10阶的，有5个边界条件。与夹层板类似，夹层壳的问题通常可分解为普通壳体的问题和一个d性地基上薄膜问题。

参考书目

1. 中国科学院北京力学研究所固体力学研究室板壳组著：《夹层板壳的弯曲、稳定和振动》，科学出版社，北京，1977。