復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的低速沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)

王安文，潘 亮

(1.西安愛生技術(shù)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710065；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局駐南陽地區(qū)第二軍事代表室，河南 南陽 473000)

1 引 言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有一系列傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)點(diǎn)，已成為航空、航天發(fā)展中不可缺少的材料之一。由于具有良好的比強(qiáng)度、比剛度以及重量輕等優(yōu)點(diǎn)，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于對重量和性能有特殊要求的航空結(jié)構(gòu)中。

蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在使用過程中，可能會受到?jīng)_擊而出現(xiàn)損傷。飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修中工具對結(jié)構(gòu)的撞擊，飛機(jī)起飛、降落中砂石等對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷破壞等低速沖擊，可能嚴(yán)重降低蜂窩夾芯板的抗拉能力(拉伸破壞主要是面板斷裂)，嚴(yán)重降低蜂窩夾芯板的抗壓能力(壓縮破壞導(dǎo)致面板的局部失穩(wěn)現(xiàn)象)。低速沖擊使蜂窩夾芯板的彎曲強(qiáng)度大幅度降低，在整個彎曲破壞過程中，面芯層間分層發(fā)生擴(kuò)展。

研究復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)特性及相關(guān)失效機(jī)理，對該類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與開發(fā)以及工程應(yīng)用等具有重要的意義。基于此背景，為提高蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的可靠性和使用壽命，本文通過試驗(yàn)方法，研究其受沖擊后的損傷情況以及材料特性，為蜂窩夾芯板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用提供了依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)件材料使用情況見表1，復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的尺寸為300mm×270mm，蜂窩芯斜角為20°，高度為20mm，具體尺寸如圖1所示。蜂窩下面板：[45/-45/0/90/0/-45/45/0]，厚度為2.1mm。蜂窩上面板：[(0/90)/±45]，厚度為0.8mm。材料性能參數(shù)見表2-表4。

表1 試驗(yàn)件材料

表2 CYCOM 977-2-35-12K-HTS-268材料特性參數(shù)

表3 CYCOM 977-2A-40-6KHTA-5H-370材料參數(shù)

表4 芳綸紙蜂窩的性能參數(shù)

圖1 復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)依據(jù)ASTM D 7136《測量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料對落錘沖擊事件的損傷阻抗的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》。復(fù)合材料層合板落錘沖擊試驗(yàn)在Instron 9250落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(見圖2)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)主要包括試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的支持夾具、沖擊裝置、沖擊頭、力傳感器和速度采集裝置等。

圖2 試驗(yàn)裝置

支持夾具如圖3所示，夾具底座為至少20mm厚的鋁板或鋼板，板中的開口尺寸為75±1mm×125±1mm，定位銷的放置應(yīng)使試件與開口對中，使用4個夾子在沖擊時對試件進(jìn)行約束。沖擊裝置包括剛性底座、落錘沖擊頭和防二次沖擊裝置，沖擊頭的質(zhì)量應(yīng)為5.713kg，帶有直徑為16±0.1mm的光滑撞擊頭。

圖3 沖擊支持夾具

利用Instron落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)引入低速沖擊損傷，對結(jié)構(gòu)件采用17J的能量沖擊，沖擊結(jié)構(gòu)的正中心。在沖擊過程中，沖頭的質(zhì)量m=5.776kg、E=17J，落錘下落高度h=0.3003m，沖擊初始速度v=2.41m/s。

2.3 試驗(yàn)過程

(1)檢查試件加工質(zhì)量，有無損壞和劈絲，對符合質(zhì)量要求的試件編號，并存放在要求的環(huán)境中(23℃±3℃,50±10%RH)；準(zhǔn)備好記錄表格，拍照設(shè)備。

(2)測量試件的厚度、寬度和高度。厚度用0.001mm千分尺測量，在沖擊部位附近垂直方向4個點(diǎn)測量，取其平均值；寬度用0.02mm分度卡尺測量，在沖擊部位附近3處測量，取其平均值；高度用0.02mm分度卡尺測量。

(3)按照每個試件實(shí)際測量寬度和高度尺寸，確定幾何中心沖擊點(diǎn)，并標(biāo)記。

(4)按照四邊柔性簡支固定試驗(yàn)件，調(diào)整位置，將試驗(yàn)件沖擊點(diǎn)與沖頭對準(zhǔn)，調(diào)整試驗(yàn)機(jī)狀態(tài)。

(5)損傷引入。輸入沖擊能量，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

(6)數(shù)據(jù)記錄。記錄沖擊過程中的沖擊載荷-時間曲線，根據(jù)載荷得到速度-時間和能量-時間的關(guān)系。

(7)沖擊損傷測量。沖擊損傷后，測量凹坑深度和損傷面積。凹坑深度測量采用千分尺，在試件平面所在面正交且距沖擊點(diǎn)25mm的4個點(diǎn)測量，取平均值。損傷面積采用ICS-Ⅱ型超聲C掃描儀進(jìn)行無損檢測，記錄損傷形狀和輪廓尺寸。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

選擇3個試驗(yàn)件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)件編號分別為S48-1-1、S48-1-2、S48-1-3，沖擊位置為蜂窩頂面區(qū)。在沖擊過程中，記錄下相應(yīng)的接觸力-時間曲線(見圖4)、撓度-時間曲線(見圖5)以及相關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)后，測量出凹坑深度，并利用超聲C掃描儀測量出相應(yīng)的損傷面積(見圖6)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

圖4 接觸力-時間關(guān)系曲線

圖5 撓度-時間關(guān)系曲線

圖6 沖擊后C掃面損傷投影面積

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：表中“-”表示無數(shù)值，是試驗(yàn)過程中由于試驗(yàn)儀器原因沒有得到數(shù)據(jù)。

(1)從圖4、圖5可以看到，對于兩個試驗(yàn)件來說，沖擊過程中曲線穩(wěn)定性較好，可以進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

(2)由圖6可得，C掃描損傷面積平均為40×32，損傷面積很小。沖擊點(diǎn)凹坑的平均深度為0.65mm，肉眼直觀看去幾乎看不出損傷情況，這可從另一角度說明，給定的試驗(yàn)件在17J能量的沖擊下?lián)p傷很小，若按表面損傷情況來判斷，幾乎可以忽略不計(jì)。

(3)從接觸力-時間曲線可以看出，在時間達(dá)到2.5ms之后，接觸開始下降，但并不是劇烈的下降，而是出現(xiàn)了剛度弱化的現(xiàn)象，一直持續(xù)到4.3ms。

4 結(jié) 語

本文通過對復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的低速沖擊試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出了相關(guān)變化規(guī)律，為數(shù)值仿真模擬的比對提供了參考依據(jù)，分析結(jié)果也為復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化和抗沖擊設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。