脫粘蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓性能研究

曹景斌 王 松 王 珺 章 強(qiáng)

（哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

0 引言

復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由一對(duì)薄面板、蜂窩芯和板芯膠（面板為非自粘材料時(shí)使用）組成。其最大優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)重量輕，且具有較大的彎曲剛度及強(qiáng)度，具有良好的吸聲、隔聲、隔熱性能和大的臨界屈曲載荷，在航空航天及軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)一樣，在生產(chǎn)制造及使用服役過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生各種形式的損傷，其中脫粘是出現(xiàn)頻次很高的一種常見(jiàn)損傷類型，對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓強(qiáng)度影響很大[3]。

該文通過(guò)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)初始階段預(yù)制不同尺寸脫粘缺陷，利用試驗(yàn)和仿真分析相結(jié)合的手段，驗(yàn)證含脫粘缺陷理論分析的有效性，同時(shí)驗(yàn)證脫粘缺陷對(duì)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓強(qiáng)度的影響效果，并為將來(lái)確定蜂窩夾層結(jié)構(gòu)允許脫粘門(mén)檻值提供一定的參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓試驗(yàn)方法參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在試件上下面板相應(yīng)位置粘貼應(yīng)變片，Z 向位移測(cè)量采用設(shè)備夾頭自帶位移傳感器測(cè)量，Y 向位移測(cè)量采用外接交流位移傳感器測(cè)量。位移測(cè)量點(diǎn)示意如圖1 所示，試驗(yàn)安裝如圖2 所示。

圖1 位移測(cè)量點(diǎn)示意

圖2 試驗(yàn)安裝圖

1.2 試驗(yàn)規(guī)劃

該試驗(yàn)預(yù)制Φ30mm、Φ45mm、Φ60mm 3 種脫粘缺陷，鋪層選取某型機(jī)下蒙皮典型鋪層。蜂窩側(cè)壓試驗(yàn)規(guī)劃見(jiàn)表1。

表1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓試驗(yàn)規(guī)劃

其中core 指Nomex 紙蜂窩，Q/2AJ630-2007 `Type Ⅴ， Class4， Grade3.0；面板材料為中溫碳纖維編織物預(yù)浸料Q/2AJ631TypeⅡ，Class2，3K-70-PW。

為了防止試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)件端部破壞，在試驗(yàn)件切割后兩端加凝固性填料加固。先將切割試驗(yàn)件兩端的蜂窩各去掉20 mm，然后將去掉部位用填料加固（兩端要壓平），最后在試件兩端粘貼加強(qiáng)片，試件加固如圖3 所示。

2 理論分析

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓強(qiáng)度理論分析。無(wú)缺陷蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓強(qiáng)度分析按照工程算法。碳纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)面板是有初始波紋度的，理論分析蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓強(qiáng)度時(shí)，要考慮初始波紋度，先計(jì)算出面板分層處樹(shù)脂基體中的應(yīng)力，再按莫爾強(qiáng)度理論求出層間樹(shù)脂基體破壞時(shí)的面板極限強(qiáng)度，即為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度[4]。

圖3 試件加固示意

含脫粘缺陷理論分析方法選用有限元方法，應(yīng)用MSC.PATRAN /NASTRAN 有限元分析軟件，根據(jù)GB/T 1454 所規(guī)定的試驗(yàn)安裝方法建立側(cè)壓試驗(yàn)有限元模型。脫粘損傷模擬采用三維內(nèi)聚力單元模擬面板與夾層之間的脫粘缺陷及其擴(kuò)展行為。內(nèi)聚力單元是復(fù)合材料脫粘、分層損傷及擴(kuò)展分析中的一種常用方法，通過(guò)定義損傷起始判據(jù)和損傷演化準(zhǔn)則模擬層間損傷及破壞[5]。通過(guò)設(shè)置邊界條件，加載利用有限元計(jì)算含脫粘缺陷蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓強(qiáng)度。有限元模型及加載如圖4 所示。

圖4 含脫粘缺陷有限元模型及加載圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

無(wú)脫粘缺陷蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)破壞載荷見(jiàn)表2，對(duì)應(yīng)應(yīng)力、應(yīng)變見(jiàn)表3。含脫粘缺陷蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)破壞載荷見(jiàn)表4，對(duì)應(yīng)應(yīng)力、應(yīng)變見(jiàn)表5。試驗(yàn)件破壞照片如圖5 所示。

表2 無(wú)缺陷試件試驗(yàn)破壞載荷

表3 無(wú)缺陷試件應(yīng)力、應(yīng)變

表4 含缺陷試件試驗(yàn)破壞載荷

表5 含缺陷試件應(yīng)力、應(yīng)變

圖5 試驗(yàn)件破壞圖片

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合無(wú)缺陷和含不同尺寸脫粘缺陷的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)載荷-位移曲線圖，載荷位移如圖6 所示。

從蜂窩夾層結(jié)構(gòu)載荷位移曲線不難看出，載荷位移曲線基本呈線性分布；脫粘缺陷對(duì)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓強(qiáng)度有較大影響，Ф30mm、Ф45mm、Ф60mm 缺陷相對(duì)于無(wú)脫粘缺陷夾層結(jié)構(gòu)承載能力分別下降17%、30%、44%；隨著脫粘缺陷的逐漸增大，夾層結(jié)構(gòu)承載能力逐步降低。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果比較

根據(jù)工程算法和有限元分析，得到蜂窩夾層結(jié)構(gòu)破壞載荷無(wú)缺陷和不同脫粘缺陷尺寸理論承載值，擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析對(duì)比，如圖7 所示。

從該曲線對(duì)比上看，對(duì)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓承載理論分析值比照試驗(yàn)承載分析均有一定程度的降低；理論分析趨勢(shì)和試驗(yàn)結(jié)果是一致的。理論分析強(qiáng)度低于試驗(yàn)強(qiáng)度的原因主要是復(fù)合材料選取許用值較低，計(jì)算結(jié)果偏保守。

圖6 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)載荷位移圖

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析對(duì)比

4 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)預(yù)制不同尺寸脫粘缺陷，考察脫粘對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓強(qiáng)度影響情況，得出如下結(jié)論。1）無(wú)論是否含有脫粘缺陷，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)載荷位移曲線基本呈線性分布。2）脫粘缺陷對(duì)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓強(qiáng)度有較大影響，脫粘缺陷是造成結(jié)構(gòu)承載能力下降的重要因素；隨著脫粘缺陷的逐漸增大，夾層結(jié)構(gòu)承載能力逐步降低。3）含脫粘缺陷的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓理論分析趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。