外面板加強(qiáng)鋪層對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

趙軍峰，張 橋

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

外面板加強(qiáng)鋪層對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

趙軍峰，張 橋

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合理論分析與有限元仿真結(jié)果，研究了外面板加強(qiáng)鋪層尺寸對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和承載能力的影響，探究了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件在壓縮和拉伸載荷作用下的失效模式，進(jìn)一步探討了外面板加強(qiáng)鋪層尺寸對(duì)其失效模式的影響，給出了外面板加強(qiáng)鋪層對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響關(guān)系，為含缺陷蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的工程使用與修理提供參考。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；缺陷；力學(xué)性能

0 引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為高比強(qiáng)度、比剛度和高抗疲勞性能的新型材料，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。譬如，空客公司發(fā)布的全復(fù)合材料直升機(jī)H160，其主要框、梁和整流罩都大量采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通常由兩層或多層面板(或稱蒙皮)中間夾以蜂窩組件制成，蒙皮主要傳遞剪切載荷，蜂窩主要增加抗彎剛度。蒙皮與蜂窩之間通過二次固化或共固化成整體結(jié)構(gòu)。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制作工藝復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量的制約因素多，其制造過程中極易產(chǎn)生缺陷。

由于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的制造凝聚了很高的勞動(dòng)價(jià)值，因此，結(jié)構(gòu)的可利用性受到廣泛關(guān)注。對(duì)含缺陷蜂窩夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的評(píng)估和修理后結(jié)構(gòu)的承載能力研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中，夏明凱[1]等研究了蜂窩芯脫粘對(duì)蜂窩夾層板側(cè)壓強(qiáng)度的影響。趙鵬成[2]結(jié)合理論分析與試驗(yàn)方法研究了含缺陷蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、靜承載能力和抗沖擊性能。孔祥皓、楊凱[3,4]等人研究了含不同類型缺陷蜂窩夾層件的破壞模式和性能曲線。鄒靜[5]等人探究了含缺陷蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的驗(yàn)收準(zhǔn)則。對(duì)于缺陷尺寸或程度較小且滿足強(qiáng)度要求的含缺陷結(jié)構(gòu)，工程上在明確其力學(xué)性能后視情況允許使用。而對(duì)于大多數(shù)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力嚴(yán)重降低的缺陷，通常需要經(jīng)過修理后才能投入使用。

本文以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究蜂窩夾層結(jié)構(gòu)外面板加強(qiáng)鋪層對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，為工程上此類缺陷的修理和使用性能評(píng)估提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)件

在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)鋪層時(shí)，通常采用先鋪外面板、再鋪蜂窩、最后再鋪內(nèi)面板的方法。鋪設(shè)內(nèi)面板之前，需要進(jìn)行蜂窩倒角區(qū)切削，如果切削過渡或者切削擠壓載荷過大導(dǎo)致蜂窩倒角區(qū)向內(nèi)滑移，則會(huì)使得外面板的加強(qiáng)鋪層在蜂窩上的搭接長(zhǎng)度不足。為了探究這種搭接尺寸變化對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能造成的影響，本文制定了如圖1所示的試驗(yàn)件，試驗(yàn)件的鋪層信息如表1所示，蜂窩高度為10mm。其中，鋪層1-2a和1-8a為加強(qiáng)鋪層。在正常鋪層下，外面板加強(qiáng)鋪層在蜂窩上的最小搭接長(zhǎng)度為30mm。

當(dāng)外面板搭接長(zhǎng)度不足時(shí)，最小搭接量則為10mm，缺陷試驗(yàn)件如圖2所示。

對(duì)搭接長(zhǎng)度L=10mm的缺陷試驗(yàn)件，對(duì)其缺陷區(qū)域進(jìn)行局部修理。修理時(shí)考慮不同的修理狀態(tài)(完全修理和修理后含缺陷兩種情況)，具體修理方法如圖3所示。

表1 鋪層信息

本文共使用合格件、缺陷件、完全修理件、含修理缺陷件4種狀態(tài)試驗(yàn)件各12件進(jìn)行試驗(yàn)，其中拉伸試驗(yàn)與壓縮試驗(yàn)各6件。

1.2試驗(yàn)過程

試驗(yàn)件表面共粘貼3處應(yīng)變片，其中應(yīng)變片1、2分別位于外、內(nèi)面板中心處，應(yīng)變片3位于修理區(qū)中點(diǎn)，如圖4所示。試驗(yàn)過程中試驗(yàn)件的載荷變化通過應(yīng)變片進(jìn)行監(jiān)控。

試驗(yàn)在室溫常態(tài)下進(jìn)行，試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)件之間通過螺栓連接，試驗(yàn)采用修理區(qū)一側(cè)固定，另一側(cè)均勻施加拉伸或壓縮載荷的形式加載。試驗(yàn)載荷逐級(jí)施加，其中壓縮載荷在載荷值小于20kN以前按2kN一級(jí)、0.4kN/s的加載速率進(jìn)行加載；大于20KN以后按1kN一級(jí)、0.2kN/s的加載速率進(jìn)行加載。拉伸載荷小于60kN以前按5kN一級(jí)、0.5kN/s的加載速率進(jìn)行加載，60kN以后按1kN一級(jí)、0.2kN/s的加載速率進(jìn)行加載，直至試驗(yàn)件破壞，記錄試驗(yàn)件的應(yīng)變歷程值及破壞載荷。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

依次對(duì)合格件、超差件、完全修理件以及不完全修理件開展壓縮和拉伸試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1壓縮狀態(tài)

壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)件破壞后的典型狀態(tài)如圖5所示。

從圖5(a)-(d)可以看出，在壓縮載荷作用下，試驗(yàn)件的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為外面板失穩(wěn)。失穩(wěn)形式為垂直于載荷加載方向，沿著試驗(yàn)件的寬度方向穿透整個(gè)試驗(yàn)件。

當(dāng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件承受壓縮載荷時(shí)，受結(jié)構(gòu)截面特征的影響，其彎曲形心位于幾何中心，而蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的載荷作用線通常位于外面板面內(nèi)，因此，壓縮載荷會(huì)對(duì)試驗(yàn)件產(chǎn)生附加彎矩。在該附加彎矩的作用下，隨著載荷的逐級(jí)施加，內(nèi)面板上的載荷由最初的壓縮載荷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔燧d荷。如圖6所示，所施加的壓縮外載荷主要通過外面板傳遞，從而外面板的穩(wěn)定性成為結(jié)構(gòu)破壞的主要控制因素。

對(duì)于有限寬度的試驗(yàn)件，當(dāng)面板發(fā)生局部失穩(wěn)時(shí)，其失穩(wěn)分層沿著結(jié)構(gòu)的寬度方向擴(kuò)展到兩側(cè)，構(gòu)成了穿透板寬的一維屈曲問題，因此，其外面板的穩(wěn)定性可以簡(jiǎn)化為Eular問題進(jìn)行處理[2]，Eular公式如式(1)所示：

其中：E11為子層板在受壓方向的軸向模量；h為夾層板的厚度；h1為面板的厚度；2a是面板沿壓縮方向的長(zhǎng)度。

從試驗(yàn)結(jié)果(圖7)也可以看出，當(dāng)蜂窩結(jié)構(gòu)承受壓縮載荷時(shí)，外面板加強(qiáng)區(qū)的長(zhǎng)度和強(qiáng)度對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整體的壓縮性能有影響。隨著外面板加強(qiáng)區(qū)的加強(qiáng)，試驗(yàn)件承受壓縮載荷的能力有所增強(qiáng)。

對(duì)于圖7所示的試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)Eular公式，當(dāng)外面板加強(qiáng)區(qū)長(zhǎng)度變小時(shí)，外面板的支撐強(qiáng)度減弱，外面板壓縮方向的長(zhǎng)度值a增大，從而屈曲載荷Pcr降低，相同載荷下的變形加大，穩(wěn)定性隨之減弱。反之，對(duì)于修理后的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，由于對(duì)外面板進(jìn)行了局部補(bǔ)強(qiáng)，因此外面板壓縮方向的長(zhǎng)度值a值變小，穩(wěn)定性隨之加強(qiáng)，如圖8所示。

圖8計(jì)算了外面板加強(qiáng)區(qū)長(zhǎng)度不同時(shí)試驗(yàn)件的整體變形情況，結(jié)果顯示：在相同的外載作用下，外面板加強(qiáng)區(qū)長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)=10mm、20mm、30mm時(shí)，隨著外面板加強(qiáng)鋪層長(zhǎng)度的增加，試驗(yàn)件的穩(wěn)定性也有一定程度的提升。

2.2拉伸狀態(tài)

拉伸試驗(yàn)后試驗(yàn)件破壞的典型狀態(tài)如圖9所示。

從拉伸試驗(yàn)件的典型破壞狀態(tài)可以看出，試件的主要破壞形式為蜂窩內(nèi)面板的倒角處撕裂，如圖9所示。

根據(jù)各試驗(yàn)件的最終破壞載荷(見圖10)，外面板加強(qiáng)區(qū)的修復(fù)與否對(duì)試驗(yàn)件的拉伸力學(xué)性能并未產(chǎn)生明顯的影響。

根據(jù)對(duì)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)結(jié)果，隨著拉伸外載的逐級(jí)加載，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值隨之增加。值得注意的是，試驗(yàn)件內(nèi)面板應(yīng)變(測(cè)點(diǎn)2)值的增長(zhǎng)速率隨著載荷的加載逐漸增大，當(dāng)施加載荷增加到約20kN后，內(nèi)面板應(yīng)變值的增長(zhǎng)速率大于外面板(測(cè)點(diǎn)1和3)。當(dāng)試驗(yàn)件發(fā)生最終破壞時(shí)，內(nèi)面板應(yīng)變值明顯高于外面板，如圖11所示。因此，對(duì)于本文鋪層形式的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，外面板加強(qiáng)區(qū)缺陷與局部修復(fù)對(duì)試驗(yàn)件的拉伸性能影響不明顯，試驗(yàn)件的拉伸力學(xué)性能主要取決于內(nèi)面板的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到如下結(jié)論：

1)當(dāng)試驗(yàn)件承受壓縮載荷時(shí)，其主要破壞形式為外面板失穩(wěn)。對(duì)外面板加強(qiáng)區(qū)域的局部修理補(bǔ)強(qiáng)使得外面板的穩(wěn)定性有所提高，從而試驗(yàn)件承受壓縮載荷的能力也有所提高。

2)當(dāng)試驗(yàn)件承受拉伸載荷時(shí)，其主要破壞形式為內(nèi)面板倒角處撕裂。隨著載荷的逐級(jí)施加，內(nèi)面板應(yīng)變的增長(zhǎng)速率高于外面板，外面板加強(qiáng)區(qū)域的局部修理補(bǔ)強(qiáng)對(duì)試驗(yàn)件的整體承載能力的影響不明顯。

[1] 夏明凱.芯子缺失對(duì)蜂窩板側(cè)壓力學(xué)性能的影響研究[J].工程與材料科學(xué),2013(06)：74-79.

[2] 趙鵬成.含缺陷復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

[3] 孔祥皓,赫曉東.帶有典型缺陷的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的共面力學(xué)性能研究[J].固體火箭技術(shù),2010,6(33)：684-689.

[4] 楊 凱,劉立武,于開平，等.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[J].固體火箭技術(shù),2011,5(34)：652-670.

[5] 鄒 靜,孫朝華,顧文標(biāo)等.直升機(jī)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)缺陷驗(yàn)收準(zhǔn)則驗(yàn)證技術(shù)研究[J].直升機(jī)技術(shù),2014(1)：50-58.

InfluenceofOuterPanelReinforcementforMechanicalPropertyofHoneycombSandwichStructure

ZHAO Junfeng,ZHANG Qiao

(China Helicopter Research and Development Institute,Jingdezhen 333001,China)

This paper studied the mechanical property of Honeycomb Sandwich Structure(HSS) with defects and repaired in outside panel based on experimental investigation,theoretical analysis and finite element method.The failure modes of HSS were studied under tensile and compressive loads.The influence of outer panel size on failure mode was researched based on theoretical analysis and finite element method.Furthermore,the relationships of outer panel size with HSS’s property were provided in the end.This study can provide advices for the following apply and repair of HSS with defects.

Honeycomb Sandwich Structure;defects;mechanical property

2016-10-24

趙軍峰(1989-)，男，甘肅會(huì)寧人，碩士，助理工程師，主要研究方向：含缺陷材料的力學(xué)性能分析。

1673-1220(2017)03-026-04

V214.6

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