縫合對(duì)泡沫夾層板彎曲性能的影響

李 巍，王立力，屈孫濤

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

復(fù)合材料縫合技術(shù)是指采用縫合線使多層織物結(jié)合成準(zhǔn)三維立體織物或使分離的數(shù)片織物連接成整體結(jié)構(gòu)的一種復(fù)合材料預(yù)制體制備技術(shù)。該技術(shù)因可以提高復(fù)合材料層間損傷容限，大大改善復(fù)合材料抗沖擊性能而備受關(guān)注，近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用[1]，在復(fù)合材料升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板中常采用這種縫合技術(shù)。

為了研究縫合對(duì)泡沫夾層板彎曲性能的影響，進(jìn)行了一些相關(guān)的研究。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，縫合雖然使復(fù)合材料層合板的彎曲性能有所下降，但下降程度一般不會(huì)超過(guò)20%，而且縫合密度對(duì)材料彎曲性能的影響不大[2-4]。劉莉[5]在其研究中發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)優(yōu)化縫合密度可以提高材料的彎曲性能。

本文截取出泡沫夾層板的升降舵壁板典型段進(jìn)行四點(diǎn)彎曲性能試驗(yàn)，目的是獲得夾層結(jié)構(gòu)壁板純彎曲破壞時(shí)面板的應(yīng)變值，并通過(guò)測(cè)量泡沫夾層板的彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度，驗(yàn)證縫合對(duì)泡沫夾層板彎曲性能的影響。試驗(yàn)研究利用ASTM標(biāo)準(zhǔn)C393-00夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能測(cè)試方法，對(duì)3組試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲性能試驗(yàn)并進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，從試驗(yàn)的角度驗(yàn)證縫合對(duì)泡沫夾層板彎曲性能的影響。

2 材料與試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)件按縫合方式分為A、B、C三組，如表1所示。縫合的針距×行距為10mm×10mm，縫線材料為Kevlar 29。試驗(yàn)件尺寸如圖1所示。

表1 試驗(yàn)件分組

圖1 試驗(yàn)件簡(jiǎn)圖

2.2 試驗(yàn)裝置及方法

泡沫夾芯層板的加載方式如圖2所示，試件夾具及試驗(yàn)裝置如圖3所示。通過(guò)帶加載墊的鋼條或鋼刀邊緣對(duì)試件進(jìn)行加載。為防止在加載點(diǎn)發(fā)生局部芯子壓損，可以在鋼制加載墊下放置窄板。

圖2 加載方式

圖3 試件夾具及試驗(yàn)裝置

傳感器、撓度計(jì)、刻度盤式計(jì)量器等測(cè)量的試件尺寸和跨度(單位：mm)必須保證精度為±0.5%，測(cè)出的變形必須保證精度為±1%。千分尺、計(jì)量器、卡鉗等測(cè)量工具必須精確到0.025mm。試驗(yàn)機(jī)以恒定速度加載，且在3～6min內(nèi)達(dá)到最大載荷。推薦的加載速度為0.5mm/min。

2.3 試驗(yàn)計(jì)算方法

4點(diǎn)(1/4點(diǎn))加載，芯子極限剪切應(yīng)力用式(1)計(jì)算：

(1)

夾層結(jié)構(gòu)壁板純彎曲破壞時(shí)，面板的應(yīng)變值從ST-16數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)中獲得。

夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲剛度用式(2)計(jì)算：

(2)

式中，D為夾芯結(jié)構(gòu)彎曲剛度，S為支持跨長(zhǎng)，L為加載跨長(zhǎng)，b為夾層寬度，P1000為相應(yīng)于ε1000的作用力，P3000為相應(yīng)于ε3000的作用力，εt1000為最靠近1000微應(yīng)變時(shí)記錄的上表面應(yīng)變值；εt3000為最靠近3000微應(yīng)變時(shí)記錄的上表面應(yīng)變值；εb1000為相應(yīng)于P1000時(shí)下表面記錄的應(yīng)變值(幅值)；εb3000為相應(yīng)于P3000時(shí)下表面記錄的應(yīng)變值(幅值)。

面板彎曲強(qiáng)度用式(3)計(jì)算：

(3)

式中，σ為面板彎曲強(qiáng)度，P為破壞前的最大載荷，t為面板名義厚度，c為芯子厚度，b為夾層寬度。

面板極限應(yīng)力用式(4)計(jì)算：

(4)

式中，F(xiàn)u為面板的極限應(yīng)力，Pmax為破壞前的最大力。

有效面板弦線模量用式(5)計(jì)算。對(duì)每個(gè)面板計(jì)算各自的模量(對(duì)上面板計(jì)算壓縮模量，對(duì)下面板計(jì)算拉伸模量)。

Ef=(σ3000-σ1000)/(ε3000-ε1000)

(5)

式中，Ef為有效面板弦線模量，σ3000為對(duì)應(yīng)于ε3000的面板應(yīng)力，σ1000為對(duì)應(yīng)于ε1000的面板應(yīng)力。

橫向剪切剛度用式(6)計(jì)算：

(6)

式中，U為橫向剪切剛度，Δ為梁的中跨撓度。

芯子剪切模量用式(7)計(jì)算：

(7)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照《聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)表達(dá)準(zhǔn)則》(HB 7618-2013)和中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所等出版的《復(fù)合材料手冊(cè)》技術(shù)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板彎曲性能試驗(yàn)中，響第一聲時(shí)的載荷在0.75kN～1.00kN范圍以內(nèi)，破壞點(diǎn)均在兩加載點(diǎn)外側(cè)與兩支持點(diǎn)之間(如圖4所示)。不縫合的A組試驗(yàn)件破壞載荷最小，芯子裂紋最大，其次是tufting縫合的C組試驗(yàn)件，改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件，破壞載荷最大，芯子裂紋最小，芯子韌性較好。

圖4 夾層結(jié)構(gòu)壁板(響第一聲時(shí))

改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件彎曲強(qiáng)度比不縫合的A組試驗(yàn)件彎曲強(qiáng)度高14.3%，改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件彎曲剛度比不縫合的A組試驗(yàn)件彎曲剛度高8.4%，改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件的拉伸應(yīng)變比不縫合的A組試驗(yàn)件的拉伸應(yīng)變高32.2%，改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件的壓縮應(yīng)變比不縫合的A組試驗(yàn)件的壓縮應(yīng)變高31.2%，改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件的芯子極限應(yīng)力比不縫合的A組試驗(yàn)件的芯子極限應(yīng)力高1.43%。

改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件彎曲強(qiáng)度比tufting縫合的C組試驗(yàn)件彎曲強(qiáng)度高7.36%，改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件彎曲剛度比tufting縫合的C組試驗(yàn)件彎曲剛度高2.03%，改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件的拉伸應(yīng)變比tufting縫合的C組試驗(yàn)件的拉伸應(yīng)變高13.9%，改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件的壓縮應(yīng)變比tufting縫合的C組試驗(yàn)件的壓縮應(yīng)變高12.8%，改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件的芯子極限應(yīng)力比tufting縫合的C組試驗(yàn)件的芯子極限應(yīng)力高7.10%。

改進(jìn)的鎖式縫合彎曲破壞模式如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的鎖式縫合彎曲破壞模式

改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件橫向剪切剛度比不縫合的A組試驗(yàn)件橫向剪切剛度低28.5%，改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件芯子剪切模量比不縫合的A組試驗(yàn)件芯子剪切模量低28.6%。改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件橫向剪切剛度比tufting縫合的C組試驗(yàn)件橫向剪切剛度高28.6%，改進(jìn)的鎖式縫合的B組試驗(yàn)件芯子剪切模量比tufting縫合的C組試驗(yàn)件芯子剪切模量高250%。

4 結(jié) 論

本文選擇了3組試驗(yàn)件，研究縫合對(duì)泡沫夾層板彎曲性能的影響。從試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：適當(dāng)優(yōu)化縫合密度可以提高材料的彎曲性能，相比不縫合情況和tufting縫合情況，改進(jìn)的鎖式縫合試驗(yàn)件彎曲性能更優(yōu)異。