復(fù)合材料蜂窩斜削區(qū)在軸壓載荷下的性能分析

潘 雄

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200232）

0 引言

復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通常由上下面板、芯材、粘接膠膜組成。由于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。蜂窩芯材能增加材料的截面高度，進(jìn)而增加夾層結(jié)構(gòu)的整體彎曲剛度。但是增加截面高度帶來的一個問題是難以直接與相鄰的結(jié)構(gòu)相連，解決的方法通常是借助使用斜削，從夾芯結(jié)構(gòu)過渡到層壓板結(jié)構(gòu)，如圖1所示。彎矩為Mx，如圖2所示。載荷計(jì)算如下：

其中：

te—非蜂窩區(qū)層板厚度；

tt、tb—蜂窩區(qū)兩面板厚度；

θ—斜坡角度；

R—斜坡拐角半徑；

d—蜂窩區(qū)上下面板中性面距離。

圖1 蜂窩結(jié)構(gòu)的連接

圖2 軸壓載荷下蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

相關(guān)試驗(yàn)表明蜂窩斜削區(qū)往往是蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)受載時的薄弱部位，特別是在軸壓載荷下，受載處承壓板的中性軸與全高度芯層的中性軸之間存在偏心，引起附加的彎矩，造成芯材和面板的破壞或者芯材與面板脫粘。因此斜削區(qū)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個蜂窩夾層結(jié)構(gòu)性能。本文針對某蜂窩壁板結(jié)構(gòu)的斜削區(qū)特性試驗(yàn)，建立有限元數(shù)值分析模型，通過引入Hashin準(zhǔn)則和界面內(nèi)聚力單元對層板破壞和粘接層的失效進(jìn)行模擬，得到了其在軸壓載荷的損傷特性，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析提供了相關(guān)依據(jù)和方法。

1 結(jié)構(gòu)受力

蜂窩結(jié)構(gòu)在軸向壓縮載荷Nx作用下，一部分載荷Nb通過外面板傳遞，一部分載荷Nt通過內(nèi)面板傳遞，由于偏心引起的

2 數(shù)值模擬和結(jié)果

2.1 模型參數(shù)

計(jì)算模型尺寸為220mm×100mm，如圖3所示，蜂窩高度為15mm，斜坡角度為20°。面板采用碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，蜂窩采用Nomex紙蜂窩。

模型中上面板的鋪層為［（±45）/0/（±45）/0/（0/90）］，下面板的鋪層為［（±45）/02/（±45）/02/（±45）/0/（0/90）/］s，其中鋪層中單向帶單層厚度為0.131mm，織物厚度為0.284mm。

圖3 計(jì)算模型尺寸

2.2 有限元模型

有限元模型采用程序Abaqus建立，如圖4所示。上下面板采用S4R殼單元，蜂窩芯采用C3D8R體單元，在面板和芯材之間定義厚度為0.01mm的界面單元。

圖5 破壞形式對比

圖4 有限元模型

2.3 仿真結(jié)果

仿真時，在模型的一端施加固支約束，另一端施加位移載荷。根據(jù)圖5仿真結(jié)果可以看出粘接元在結(jié)構(gòu)斜坡區(qū)有失效，說明在斜坡區(qū)面板和蜂窩有脫粘，失效形式與失效位置均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。結(jié)構(gòu)承載能力方面，仿真結(jié)果為63.8kN，試驗(yàn)結(jié)果為65.0kN，兩者相差1.85%，吻合較好。

3 結(jié)語

通過對某蜂窩壁板結(jié)構(gòu)斜削區(qū)在軸向壓縮載荷下的失效特性分析，得到以下結(jié)論：（1）在結(jié)構(gòu)受到軸向壓縮載荷時，斜削區(qū)會承受附加彎矩，往往會發(fā)生面板和芯材脫粘，是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在設(shè)計(jì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)時要對此部位予以重視。（2）分析結(jié)果表明，本文的建模分析方法對蜂窩壁板斜削區(qū)的承載能力和結(jié)構(gòu)的失效形式能很好的模擬，為蜂窩斜削區(qū)典型細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)和分析提供一定的參考，具有一定的工程意義。

［1］I.L.Paris.Characterization ofComposites Sandwich Ramp Failure Under Tensile Loading［J］.Bombardier Aerospace，1998（8）.

［2］韓學(xué)群.復(fù)合材料層合板分層損傷數(shù)值模擬［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

［3］C.Kassapoglou，Stress Determination and Core Failure Analysis in Sandwich Rampdown Structures under Bending Loads［J］.Fracture of Composites，1996（7）.