沖擊參數(shù)對復(fù)合材料薄壁夾層結(jié)構(gòu)損傷容限以及損傷阻抗影響的研究

李威翰

摘要：對復(fù)合材料薄壁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊后壓縮試驗(yàn)，研究沖擊參數(shù)對其損傷容限以及損傷阻抗的影響。結(jié)果表明薄壁夾層結(jié)構(gòu)隨著沖頭直徑的增加在相同沖擊能量下剩余壓縮強(qiáng)度增大，沖擊后凹坑深度減小。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；損傷容限；損傷阻抗

1 引言

與金屬材料相比，由于復(fù)合材料具有明顯的各向異性，使其可設(shè)計(jì)性得到很大的提升。同時，由于具有較好的比強(qiáng)度、比剛度，抗疲勞性以及耐腐蝕等特點(diǎn)，使得復(fù)合材料得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的復(fù)合材料層壓板相比，復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在提高了彎曲剛度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減輕重量。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)根據(jù)中間芯子的不同可以大致分為泡沫夾層結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。其中蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與泡沫夾層結(jié)構(gòu)相比，密度更低并且在法向上具有更高的抗壓強(qiáng)度。但是，與復(fù)合材料層壓板相同，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊后，面板會產(chǎn)生分層、基體斷裂等損傷。這些損傷會極大地降低面板強(qiáng)度和剛度。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)對沖擊的損傷容限以及損傷阻抗除了與蜂窩夾層自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)以外，與所受到的沖擊參數(shù)也密切相關(guān)。基于以上原因，本文對沖擊參數(shù)中沖頭直徑對薄壁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的損傷容限以及損傷阻抗的影響進(jìn)行了研究，為薄壁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

2 沖擊試驗(yàn)

2.1 試件結(jié)構(gòu)參數(shù)

試驗(yàn)件的尺寸為200×250mm，其鋪層信息為[45/90/90 蜂窩19.0590/90/45]，即薄壁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件。沖擊的引入以及壓縮的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均參考ASTM D7136以及ASTM D7137實(shí)施。

2.2、沖擊參數(shù)

本試驗(yàn)中選取2.5J～13J這一范圍的能量對試件進(jìn)行沖擊，同時選取了直徑為16mm以及25.4mm的兩種沖頭。

3 結(jié)果分析

3.1 沖頭直徑對損傷容限的影響

復(fù)合材料損傷容限即材料或結(jié)果在受到損傷后保證安全性的能力。復(fù)合材料的損傷容限可以通過沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度來表征[1]。

從圖1可知，通過最小二乘法擬合可以得到對應(yīng)不同沖頭直徑的剩余壓縮強(qiáng)度與沖擊能量的線性關(guān)系。從中不難看出，沖頭直徑增大，沖擊能量對薄壁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度影響越小，體現(xiàn)在擬合直線的斜率上。

同時，通過擬合得到的直線可以估算，當(dāng)沖擊能量大于6J時，隨著沖擊能量的增大，沖頭直徑較大的試件，其剩余強(qiáng)度反而比沖頭直徑較小的試件的剩余強(qiáng)度要大。這與層壓板或者厚壁夾層結(jié)構(gòu)的規(guī)律相反[2]。這是由于薄壁夾層結(jié)構(gòu)單側(cè)面板的彎曲剛度要遠(yuǎn)小于層壓板或厚壁夾層結(jié)構(gòu)的面板。并且隨著沖頭直徑的增加，面板的穿透性降低。致使沖擊后損傷面積變小同時損傷的擴(kuò)展也受到阻礙。薄壁面板更容易發(fā)生受壓斷裂而由于非損傷擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂失效。由于損傷面積小，損傷區(qū)域附近截面應(yīng)力較低。最終導(dǎo)致隨著沖擊能量的增加，沖頭直徑大的試板的剩余強(qiáng)度推算值反而高于沖頭直徑小的試板。

3.3.2、沖頭直徑對損傷阻抗的影響

復(fù)合材料的損傷阻抗一般是指抵抗沖擊事件的能力或給定沖擊力導(dǎo)致的損傷尺寸。復(fù)合材料的損傷阻抗可以用損傷區(qū)域的面積以及沖擊后凹坑深度來表征，本文采用凹坑深度來表征蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的損傷阻抗。

從圖2可以得出對應(yīng)不同沖頭直徑的凹坑深度與沖擊能量的擬合直線。從擬合直線的斜率可以看出，在相同的沖擊能量下，對應(yīng)沖頭直徑小的試板的凹坑深度受沖擊能量的影響更大。

4、結(jié)論

薄壁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的剩余壓縮強(qiáng)度的預(yù)測值隨著沖頭直徑的增大而增大。同時在相同的沖擊能量下，對應(yīng)沖頭直徑小的試板的凹坑深度受沖擊能量的影響更大。

5、引用

1. 沈真，復(fù)合材料損傷阻抗和損傷容限的性能表征

2. Damage Tolerance Characterization of Sandwich Composites Using ResponseSurfaces-ar02-101

3. 王念，復(fù)合材料層合板沖擊損傷及損傷容限研究

4. 馮康軍，飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限平定及適航審定技術(shù)的研究

本項(xiàng)目編號為MJ-2014-F-09，批準(zhǔn)文號為工信部聯(lián)裝 [2015]391號