帶有典型缺陷的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度研究①

楊 凱，劉立武，于開平，孔祥皓

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天科學(xué)與力學(xué)系，哈爾濱 150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所，哈爾濱 150001)

0 引言

隨著空間技術(shù)的深入研究，金屬熱防護(hù)系統(tǒng)以其卓越的綜合性能逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，并已設(shè)計(jì)制造出多種可重復(fù)使用的金屬熱防護(hù)系統(tǒng)［1－2］。薄壁高溫合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)因其既能滿足高超聲速飛行器對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)質(zhì)量與體積的要求，又能解決防熱、隔熱、承載一體化設(shè)計(jì)難題而被越來(lái)越廣泛地用于航空航天領(lǐng)域［1，3－6］。該結(jié)構(gòu)屬于格柵夾層結(jié)構(gòu)中的一類，中間層則為輕質(zhì)多孔材料中的蜂窩材料。Gibson和Ashby全面地總結(jié)了蜂窩材料的力學(xué)性能［6］，范華林等對(duì)炭纖維點(diǎn)陣復(fù)合材料的制備及其性能做了較為深入的研究［7－8］，盧天健等探討了多孔金屬材料的多功能化設(shè)計(jì)［9］。該結(jié)構(gòu)在制備、裝配或服役過(guò)程中可能產(chǎn)生缺陷，其力學(xué)性能受到缺陷類型、尺寸和位置等諸多因素的影響，因此仍需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究結(jié)構(gòu)的變形和破壞規(guī)律。

結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的測(cè)定是為了能夠判斷存在制備、裝配或服役缺陷的結(jié)構(gòu)在被檢測(cè)出來(lái)并進(jìn)行維修之前，是否具有足夠的服役能力，即為了疲勞、腐蝕或意外撞擊等形成的缺陷在導(dǎo)致災(zāi)難性破壞之前能夠被發(fā)現(xiàn)并補(bǔ)救。具備剩余強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)對(duì)可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的綜合要求。本文對(duì)帶有3種典型缺陷的薄壁高溫合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行側(cè)拉伸與側(cè)壓縮、平壓縮和三點(diǎn)彎曲等宏觀力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的變化規(guī)律。

1 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

1.1 試件制備

文中的金屬面板和蜂窩芯子材料均選用鎳基高溫合金Haynes 214，其化學(xué)成分見表1。制備過(guò)程如下:首先將Haynes 214薄壁材料用齒輪碾壓形成波紋板;然后將波紋板進(jìn)行激光點(diǎn)焊制成薄壁蜂窩芯子材料;最后，利用高溫釬焊將金屬面板與蜂窩芯子焊接得到所需金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

表1 Haynes 214的化學(xué)組成Table 1 Composition of Haynes 214 %

根據(jù)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)國(guó)標(biāo)的力學(xué)性能測(cè)試要求，文中側(cè)拉實(shí)驗(yàn)樣件的標(biāo)距取為70 mm，寬度和厚度分別為40、4.5 mm。由于兩端各有10 mm的實(shí)體加強(qiáng)段，所以試件的實(shí)際長(zhǎng)度為90 mm。側(cè)壓實(shí)驗(yàn)樣件的標(biāo)距取為40 mm，寬度和厚度也分別為40、4.5 mm。在平壓實(shí)驗(yàn)中，含穿透缺陷的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件的長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為40、40、4.5 mm。三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)樣件的跨距為80 mm，寬度和厚度分別為40 mm和4.5 mm。拉伸、壓縮和三點(diǎn)彎曲試件采用金屬材料加工中常見的線切割法進(jìn)行制備。

1.2 缺陷分類

由于薄壁高溫合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是通過(guò)機(jī)械連接方式與機(jī)體裝配的，所以不可避免地需要在結(jié)構(gòu)上制造宏觀缺陷。同時(shí)，高超聲速飛行器的使用環(huán)境非常惡劣，其中高速?zèng)_擊、周期性疲勞載荷及熱載荷也會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生斷裂乃至擊穿破壞。根據(jù)實(shí)際情況可將這些缺陷分為以下3種典型缺陷類型:

(1)細(xì)裂紋(Crack)缺陷:裂紋寬度遠(yuǎn)小于晶胞尺寸，且裂紋長(zhǎng)度與晶胞尺寸相當(dāng)?shù)膶?duì)稱細(xì)長(zhǎng)型缺陷類型。

(2)孔洞(Hole)缺陷:破壞形狀為圓孔形，且半徑尺寸與晶胞尺寸相當(dāng)?shù)亩嘤蓻_擊載荷形成的缺陷類型。

(3)孔狀裂紋(Notch)缺陷:裂紋寬度尺寸與裂紋長(zhǎng)度尺寸均與晶胞尺寸相當(dāng)?shù)膶?duì)稱的半圓形缺陷類型。

帶有不同類型缺陷的部分實(shí)驗(yàn)樣件如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 側(cè)拉剩余強(qiáng)度

如圖2所示，含Crack缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)拉強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈反比例函數(shù)衰減趨勢(shì)，其衰減速率逐漸降低;含Hole缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)拉強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈線性衰減趨勢(shì)，其衰減速率基本保持不變;含有Notch缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)拉強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈冪函數(shù)衰減趨勢(shì)，其衰減速率先降低，然后又略有升高。在圖3中，實(shí)線和虛線分別描繪了含Crack缺陷和含Hole/Notch缺陷結(jié)構(gòu)在側(cè)拉實(shí)驗(yàn)中的強(qiáng)度下限值與損傷尺寸間的關(guān)系。

圖1 含穿透缺陷結(jié)構(gòu)的部分實(shí)驗(yàn)樣件Fig.1 Samples of honeycomb sandwich structure with typical defects

圖2 含Crack、Hole和Notch缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)拉強(qiáng)度Fig.2 Lateral tension strength of samples with typical defects

圖3 側(cè)拉實(shí)驗(yàn)剩余強(qiáng)度Fig.3 Residual strength of lateral tension

2.2 側(cè)壓剩余強(qiáng)度

如圖4所示，含Crack缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈正弦函數(shù)衰減趨勢(shì)，其衰減速率先升高然后又略有降低;含Hole缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈反比例函數(shù)衰減趨勢(shì)，其衰減速率逐漸降低;含有Notch缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加也呈正弦函數(shù)衰減趨勢(shì)，其衰減速率也是先升高然后又略有降低，與第一種情況不同的是其衰減速率在起始階段變化較明顯且對(duì)稱性較好。在圖5中，實(shí)線和虛線分別描繪了含Crack缺陷和含Hole/Notch缺陷結(jié)構(gòu)在側(cè)壓實(shí)驗(yàn)中的強(qiáng)度下限值與損傷尺寸間的關(guān)系。

圖4 含Crack、Hole和Notch缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度Fig.4 Lateral compression strength of samples with typical defects

圖5 側(cè)壓實(shí)驗(yàn)剩余強(qiáng)度Fig.5 Residual strength of lateral compression

2.3 平壓剩余強(qiáng)度

如圖6所示，實(shí)線和虛線分別描繪了含Crack缺陷和含Hole/Notch缺陷結(jié)構(gòu)在平壓實(shí)驗(yàn)中的強(qiáng)度下限值與損傷尺寸間的關(guān)系。

圖6 平壓實(shí)驗(yàn)剩余強(qiáng)度Fig.6 Residual strength of flat compression

在圖6中，可清楚地觀察到含Hole和Notch缺陷結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈線性衰減趨勢(shì)，其衰減速率基本上保持不變，所以它的平壓實(shí)驗(yàn)剩余強(qiáng)度曲線為固定斜率的直線;而含Crack缺陷結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加衰減值極小，其衰減速率幾乎可忽略不計(jì)，以至于含Crack缺陷結(jié)構(gòu)的平壓實(shí)驗(yàn)剩余強(qiáng)度曲線近似平行于水平坐標(biāo)軸。

2.4 三點(diǎn)彎曲剩余強(qiáng)度

由于帶有3類典型缺陷結(jié)構(gòu)的抗彎能力相差較小，所以其彎曲強(qiáng)度一般都隨著缺陷尺寸的增加呈近似于線性的衰減趨勢(shì)，而且衰減速率基本上保持不變。但在3種缺陷情況下結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理不同，所以其剩余強(qiáng)度也不盡相同。實(shí)際上，如圖7所示，含Crack缺陷結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈冪函數(shù)衰減趨勢(shì)，其衰減速率先是略有升高，而后又輕微下降;含Hole缺陷結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈正弦函數(shù)衰減趨勢(shì)，其衰減速率先是略微提升，然后緩慢地降低;含有Notch缺陷結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的線性衰減趨勢(shì)，其衰減速率始終保持不變。圖8中，實(shí)線和虛線分別描繪了含Crack缺陷和含Hole/Notch缺陷結(jié)構(gòu)在側(cè)壓實(shí)驗(yàn)中的強(qiáng)度下限值與損傷尺寸間的關(guān)系。

圖7 含Crack、Hole和Notch缺陷結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度Fig.7 Three-point bending strength of samples with typical defects

圖8 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)剩余強(qiáng)度曲線Fig.8 Residual strength of three-point bending

3 結(jié)論

抗側(cè)拉強(qiáng)度隨缺陷尺寸增加而表現(xiàn)出來(lái)的衰減速率和衰減規(guī)律也和缺陷類型有關(guān);抗側(cè)壓強(qiáng)度隨缺陷尺寸增加而表現(xiàn)出來(lái)的衰減速率和衰減規(guī)律同樣會(huì)受到缺陷類型的影響;結(jié)構(gòu)的抗平壓強(qiáng)度值均近似于無(wú)缺陷情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值與有效面積比之積;結(jié)構(gòu)的抗彎能力隨缺陷尺寸增加而衰減的規(guī)律近似為線性。

［1］Gartrell C F.A view of future technology needs for space transportation［J］.AIAA Paper，1984，9:146-159.

［2］果琳麗，朱永貴.空間站天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)初探［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2000(1):7-11.

［3］Tirpak J，John A.The flight to orbit［J］.Air Force Magazine，1998，81(1):41-44.

［4］Correll B，John T.Destiny in space［J］.Air Force Magazine，1998，81(2):11-16.

［5］Correll B，John T.The integration of aerospace［J］.Air Force Magazine，1999，82(2):10-16.

［6］Gibson L J，Ashby M F.Cellular solids:structure and properties［M］.Second edition.Cambridge:Cambridge University Press，1997.

［7］范華林，楊衛(wèi).輕質(zhì)高強(qiáng)點(diǎn)陣材料及其力學(xué)性能研究進(jìn)展［J］.力學(xué)進(jìn)展，2007，37(1):99-112.

［8］范華林，金豐年，方岱寧.格柵結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究進(jìn)展［J］.力學(xué)進(jìn)展，2008，38(1):35-52.

［9］盧天健，劉濤，鄧子辰.多孔金屬材料多功能化設(shè)計(jì)的若干進(jìn)展［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2008，30(1):1-9.