復(fù)合材料泡沫夾芯板膠接修理的壓縮性能

劉國春 魏桂明 楊文鋒 孫 婷

（中國民用航空飛行學(xué)院，廣漢 618307）

0 引言

復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)由上下兩塊復(fù)合材料層合面板與中間的夾芯結(jié)構(gòu)組成，相較于復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)增大了慣性矩，在增重不大的情況下較大幅度地提升了結(jié)構(gòu)的彎曲與屈曲性能，再加上其吸音、隔熱等多方面優(yōu)點，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于飛機蒙皮、舵面、地板等次承力區(qū)域。聚合物泡沫作為一種優(yōu)異的夾芯填充材料，相較于傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)，夾芯板結(jié)構(gòu)有著密封性更好、整體成型工藝更容易實現(xiàn)等優(yōu)點，國內(nèi)外學(xué)者針對復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的壓縮力學(xué)性能進行了許多的研究，F(xiàn)LECK 等人［1-2］通過改變不同面板和芯體的組合形式與夾芯結(jié)構(gòu)的幾何形狀，研究平紋編織夾芯結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力學(xué)性能，繪制了夾芯結(jié)構(gòu)的破壞模式。WANG 等人［3］研究了面內(nèi)壓縮載荷作用下的夾芯結(jié)構(gòu)的壓縮剛度和強度；LEI等人［4］分析了玻璃纖維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的側(cè)壓失效情形，從理論與試驗上討論了一階與二階屈曲模態(tài)在坍塌破壞中的作用。謝宗蕻等人［5］建立了復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)在準靜態(tài)壓痕下的有限元模型與阻抗預(yù)測方法。孫春芳等人［6］研究了復(fù)合材料泡沫夾層的剛度、強度及彎曲等性能的試驗方法以及破壞模式。鄭錫濤等人［7］對新型縫合復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)進行了彎曲、拉伸、側(cè)壓等多項力學(xué)性能測試試驗。

國內(nèi)外大量研究主要是集中在完好泡沫夾芯板的力學(xué)性能表征上，而飛機作為一個長壽命使用件，結(jié)構(gòu)損傷在使用過程中不可避免，必然會涉及到損傷結(jié)構(gòu)件的維修性能校驗。針對復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)維修的研究較少，華洲［8］針對復(fù)合材料蜂窩夾芯板挖補修理的壓縮性能進行研究，建立了三維漸進損傷分析模型，發(fā)現(xiàn)在未修理區(qū)域的芯體由于屈曲形成結(jié)構(gòu)初始損傷，進而在蜂窩和面板出現(xiàn)損傷擴展發(fā)展成為結(jié)構(gòu)失效，并與試驗進行了比對，模型計算精度較高，但泡沫夾芯與蜂窩夾芯存在較大的差異，需要有更詳細的泡沫夾芯板研究進行維修支持。劉峰等人［9-10］對玻璃纖維泡沫夾芯維修結(jié)構(gòu)的純剪切及拉伸性能進行了一些分析，但是缺乏試驗驗證。本文通過理論計算、試驗驗證與有限元模擬三個方面分析飛機復(fù)合材料泡沫夾芯維修結(jié)構(gòu)的壓縮等力學(xué)特性，擬對增加國內(nèi)復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)維修的技術(shù)儲備，具有較強的工程實用意義。

1 實驗

1.1 試件制備

選用我校西銳SR20 飛機的行李艙地板結(jié)構(gòu)進行維修性能分析，試驗件的幾何尺寸為90 mm×60 mm×10.541 mm，母板鋪層形式為［0°/0°/core/0°/0°］，層板材料為 Tencate7781/BT250E-1，其中Tencate7781為玻璃纖維平紋布，BT250E-1為中溫環(huán)氧樹脂，泡沫夾芯結(jié)構(gòu)為Diab Divinycell HT61。結(jié)構(gòu)損傷為非穿透性損傷，采用階梯型挖補修理，增加1層0°附加鋪層，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)維修尺寸示意圖Fig.1 The sketch map of repaired composite

補片與母板材料、鋪層均相同，粘膠為3M-AF-163，各部分材料的力學(xué)性能見表1～表3。采用Heatcon 熱補儀進行維修，升溫速率5 ℉/min，保溫溫度250 ℉，保溫時間60 min，降溫速率5 ℉/min，降至100 ℉后停止溫度控制。如圖2所示，完成5 件修補板進行側(cè)壓力學(xué)性能測試，其中紅色為粘膠顏色，可以等同為修補區(qū)域。

表1 Tencate7781/BT250E-1材料性能參數(shù)Tab.1 The material properties of Tencate7781/BT250E-1

表2 HT61材料性能參數(shù)Tab.2 The material properties of HT61

表3 AF-163材料性能參數(shù)Tab.3 The material properties of AF-163

圖2 維修后試樣Fig.2 Repaired specimens

1.2 壓縮性能測試

壓縮性能測試在Instron 8801-4電液伺服材料試驗機上進行，參考GB/T 1454—2005《夾層結(jié)構(gòu)側(cè)向壓縮性能試驗方法》，設(shè)置如圖3所示，加載過程為位移控制，壓頭的速度為0.5 mm/min，過程中觀察試驗件破壞過程，完成后記錄試件的破壞模式。為通過應(yīng)變監(jiān)控區(qū)分側(cè)壓過程的試件破壞方式，在靠近試驗件修補區(qū)域的正反兩面和左右兩側(cè)各粘貼了應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼位置如圖1所示，應(yīng)變片上的數(shù)字為試驗件對應(yīng)的應(yīng)變片編號。

圖3 維修結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓縮試驗Fig.3 Compression test on repaired composite

1.3 結(jié)果與分析

試驗中隨著壓頭位移的增加，接觸載荷也逐漸增大，當(dāng)載荷達到9 kN 左右時出現(xiàn)聲響，當(dāng)試驗繼續(xù)加載，面板與泡沫出現(xiàn)較大屈曲變形，當(dāng)接觸力急劇下降，結(jié)束加載，試驗中記錄的壓頭載荷-位移曲線如圖4所示。

圖4 試驗件的接觸力-位移曲線Fig.4 Load vs displacement curves of test panels

由圖4可知，夾芯結(jié)構(gòu)壓縮試驗可以分為三個階段：（1）預(yù)載段，壓縮位移從0～0.6 mm，接觸載荷增長緩慢；（2）增載段，壓縮位移從0.6 mm至接觸力極值區(qū)間，接觸載荷隨著壓縮位移的變化趨勢接近于線性增長，修補件的接觸力極大值為10.26 kN，均值為9.18 kN，離散系數(shù)為7.89%，由于手工維修在表面處理、補片鋪設(shè)方面存在一定的工藝偏差，試驗偏差處于正常范圍；（3）屈曲段，從接觸力極值段到面板發(fā)生失穩(wěn)，載荷急劇降低，夾芯結(jié)構(gòu)失去承載能力，結(jié)構(gòu)破壞位置如圖5所示。由圖5可知，5塊試件的面板屈曲部位均發(fā)生在未修補面，表明試件的修補質(zhì)量較好。對比面板的破損位置，發(fā)現(xiàn)3塊試件損傷位置出現(xiàn)在面板中部，2塊試件破損在面板靠近端頭1/4處，說明試件可能存在不同的屈曲模式。

圖5 維修結(jié)構(gòu)面板破損位置圖Fig.5 The damage area of test panels

2 理論分析

由試驗結(jié)論可知，維修結(jié)構(gòu)的主要破壞區(qū)域發(fā)生在未修補面，說明修補面板基本上恢復(fù)了完好面板的強度，因此嘗試應(yīng)用復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)完好板的計算公式對修補板進行極限載荷預(yù)測。此外，由于試驗中觀察到的破壞模式為面板屈曲，因此根據(jù)復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的歐拉失穩(wěn)公式得臨界失穩(wěn)載荷［1，11-12］：

式中，（EI）eq為夾芯結(jié)構(gòu)的等效彎曲剛度，當(dāng)夾芯結(jié)構(gòu)為矩形體時：

式中，Ef為復(fù)合材料面板彈性模量，Ec為芯體彈性模量，b為夾芯結(jié)構(gòu)寬度，t為復(fù)合材料面板厚度，c為芯體厚度。

公式（1）中H為夾芯結(jié)構(gòu)非加持段的長度，長度因子k在壓縮試驗中取值為2［13-14］。上述所有尺寸參數(shù)在圖1中都有標識。

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)通常存在兩種模式：一種是以上討論的面板受壓彎曲失穩(wěn)；另外一種就是芯體剪切失穩(wěn)。芯體發(fā)生剪切失穩(wěn)的臨界載荷由芯體的剪切剛度確定：

式中，Gc為芯體的剪切模量。

綜合考慮面板的屈曲失穩(wěn)與芯體的剪切變形效應(yīng)，最終得到復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷表達式如下：

將公式（1）～（3）代入到公式（4）中，得到復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的臨界失穩(wěn)應(yīng)力表達式：

該復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)臨界失穩(wěn)載荷公式考慮的是粘接良好的理想情況，因此該理論計算值較實際情況偏高，可以認為是復(fù)合材料泡沫夾芯維修結(jié)構(gòu)側(cè)壓作用下的極限載荷上限值。通過該穩(wěn)定性解析分析模型能夠快速確定復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)在良好修補情況下的極限載荷與載荷量級，或在缺乏試驗驗證情況下應(yīng)用理論分析的數(shù)據(jù)與有限元計算結(jié)果進行比對驗證。

3 有限元模擬

3.1 有限元模型建立

在ANSYS WORKBENCH 中建立結(jié)構(gòu)的完整有限元分析模型，復(fù)合材料面采用單層實體建模，泡沫夾芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用實體單元模擬，建模完成的修理結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型如圖6所示，采用SOLID186 六面體單元，劃分網(wǎng)格78 840個，共有344 083個節(jié)點。

圖6 維修結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格圖Fig.6 The finite element analysis model of repaired composite

由于試驗中試件破壞部位主要以面板屈曲與芯體變形為主，通過面板上下表面的應(yīng)變數(shù)據(jù)與破壞模式顯示，修補面母體與補片之間的膠層未出現(xiàn)明顯脫膠失效，因此，在有限元分析模型中膠層結(jié)構(gòu)采用零厚度的接觸分析，應(yīng)用了線性bonded 接觸分析進行模擬，不考慮膠層失效，重點關(guān)注面板與泡沫芯體的失效情況。

3.2 加載方式與邊界條件

模型端部施加位移載荷，另一端固定約束，并在試驗夾具夾持位置增加端面約束。根據(jù)試驗加載情況，將位移載荷選取在壓縮試驗的線性增載段，施加位移載荷設(shè)置為0.6 mm。

3.3 計算工況

（1）靜力分析

靜力分析中主要考慮材料的強度失效。

泡沫芯體結(jié)構(gòu)為各向同性材料，泡沫芯體的側(cè)壓破壞模式主要為壓縮塌陷，通過判斷泡沫芯體的壓應(yīng)力是否達到破壞值來判斷芯體結(jié)構(gòu)是否破壞，即當(dāng)滿足下列條件時發(fā)生壓縮破壞：

式中，σ11c為芯體加載方向壓應(yīng)力，S11c為芯體壓縮強度。

復(fù)合材料面板由于其拉壓強度接近，采用蔡-希爾強度準則進行判斷。

其中認為復(fù)合材料平紋布的1 方向的強度X與2 方向的強度Y相同。

（2）穩(wěn)定性分析

在靜力分析的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析，計算臨界屈曲特征值，并分析修補結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)。

4 理論分析、有限元模擬與試驗結(jié)果對比

4.1 極限載荷比對

將理論分析、有限元模擬的強度極限載荷與臨界屈曲載荷、試驗件極限載荷平均值與最大值整理如表4所示。

表4 維修結(jié)構(gòu)的極限載荷比對Tab.4 Comparison of experimental，theoretical and FEA results

由表4可知，有限元模擬的強度分析極限載荷值為穩(wěn)定性分析的147.63%，因此本文的復(fù)合材料夾芯修補結(jié)構(gòu)失效模式為屈曲失效，主要分析夾芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

將理論分析數(shù)據(jù)作為完好板的強度參考基準，有限元模擬獲得的強度恢復(fù)率為81.33%，試驗均值的強度恢復(fù)率為61.00%，屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修合格的許可范圍［15］，說明試件維修效果良好。

有限元模擬與試驗極值偏差為16.18%，與試驗均值偏差25.01%，偏差主要是由于ANSYS的穩(wěn)定性計算為線性屈曲分析，試驗屈曲情況近似于線性分布，再加上維修的多種因素影響，偏差值處于許可范圍，說明本文的維修有限元模型精度較高，能夠指導(dǎo)實際維修。

4.2 夾芯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比對

有限元模型計算得到復(fù)合材料夾芯維修結(jié)構(gòu)的前四階特征值與形態(tài)如圖7所示。由特征值計算可知一階與二階、三階、四階的臨界失穩(wěn)載荷分別相差9.28%、14.55%、14.86%。

圖7 有限元分析模型的屈曲特征值與模態(tài)Fig.7 Buckling eigenvalue and mode of FEA model

結(jié)合試驗中出現(xiàn)的兩種屈曲形態(tài)（圖8）分析，得到結(jié)論如下：在試件中部失穩(wěn)的形態(tài)與有限元模擬的一階模態(tài)相似，在受壓過程中，試件中部向修補面發(fā)生彎曲，未修補面出現(xiàn)較大變形后出現(xiàn)破壞。在試件端部1/4 處失穩(wěn)的形態(tài)與有限元模擬的二階模態(tài)類似，最大變形位置出現(xiàn)在兩端1/4 處，未修補面出現(xiàn)較大變形發(fā)生破壞。

圖8 兩種試件屈曲形狀圖Fig.8 The buckling shape of test panels

考慮到試件在制備過程中可能由于工藝、試驗等多方面原因，導(dǎo)致實際試件的一階與二階屈曲特征值差異較小，所以本文中的復(fù)合材料夾芯維修結(jié)構(gòu)在受壓情況下需要重點關(guān)注穩(wěn)定性分析的一階與二階屈曲模態(tài)。同時也說明了本文建立的有限元計算模型在穩(wěn)定性分析中有較高的精度，與試驗情況相符合，具有較強的工程應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

通過完成了復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)挖補修理壓縮性能的理論分析、試驗與有限元模擬，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)試驗結(jié)果判斷復(fù)合材料夾芯維修結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生膠層破壞，有限元分析模型對于膠層的模擬采用線性接觸設(shè)置，通過試驗與理論分析驗證了該簡化模型具有較好的計算精度，能夠提高分析效率；

（2）結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修的強度恢復(fù)特性，通過完整夾芯結(jié)構(gòu)的解析分析模型能夠快速判定復(fù)合材料夾芯維修結(jié)構(gòu)的側(cè)壓極限載荷上限值，該理論分析數(shù)據(jù)也可以用于校驗無試驗結(jié)果比對的有限元分析結(jié)果；

（3）通過有限元分析、理論解析模型與試驗數(shù)據(jù)對比，得到復(fù)合材料夾芯修理結(jié)構(gòu)的主要側(cè)壓破壞模式為面板一階與二階屈曲失效。有限元分析模型與理論解析方法分析精度較高，能夠快速、準確地應(yīng)用于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的維修指導(dǎo)工作。