雙層蜂窩夾層板靜壓痕試驗和數值分析

摘 要：【目的】研究雙層蜂窩夾層板在靜壓痕力作用下的損傷情況?！痉椒ā繉﹄p層蜂窩夾層板進行靜壓痕試驗，在試驗過程中引入數字圖像技術（digital image correlation，DIC），測量試件表面的變形，并采用ABAQUS有限元軟件建立三維失效模型，將試驗結果與仿真模型進行對比。【結果】通過分析得出夾層板蒙皮的破壞模式主要是纖維斷裂和基體破壞?！窘Y論】蒙皮破壞后回彈能力大幅下降，蒙皮正面通常發(fā)生基體壓縮損傷，蒙皮背面通常發(fā)生纖維斷裂。

關鍵詞：復合材料；蜂窩夾層結構；靜壓痕；數值仿真

中圖分類號：TB332" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0082-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.016

Experimental and Numerical Analysis of Static Indentation in Double-Layer Honeycomb Sandwich Panels

LAN Mingming XU Zhihong

（Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210000， China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to study the damage of double-layer honeycomb sandwich panels under static indentation forces.[Methods] The static indentation experiments were carried out on double-layer honeycomb sandwich panels， and digital image correlation （DIC） was introduced in the experimental process to measure the deformation of the specimen surface， and the ABAQUS finite element software was used to establish a three-dimensional failure model to compare the experimental results with the simulation model.[Findings] The failure modes of sandwich panel skin are mainly fiber fracture and matrix failure.[Conclusions] The resilience of the skin decreases dramatically after damage， and matrix compression damage usually occurs on the front side of the skin， and fiber breakage usually occurs on the back side of the skin.

Keywords： composite; honeycomb sandwich structure; static indentation; numerical simulation

0 引言

復合材料具有低電磁損耗和比強度、比剛度高等優(yōu)良性能，是夾層天線罩設計中常用的材料［1］。Nomex蜂窩材料具有重量輕、強度高、密度低等特點，且蜂窩夾芯結構的荷載傳遞機理與工字鋼結構相似，擁有極佳的抗壓和抗彎能力［2］。但單層蜂窩容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)，無法提供足夠的能量吸收，而蜂窩厚度過大又會使生產成本提高［3］。采用雙層蜂窩可以解決以上問題。

目前，國內外學者對復合材料蜂窩夾層結構的沖擊性能進行了大量研究，但沖擊過程是一個動力學問題，作用時間很短，難以對損傷過程進行監(jiān)控。而靜態(tài)壓痕力（Quasi-static indentation，QSI）在復合材料內部造成的損傷與低速沖擊造成的損傷在形式上很類似［4］，且靜態(tài)壓痕力的作用是一個靜力學問題。因此，可以使用準靜態(tài)壓痕損傷來等效低速沖擊損傷進行研究。本研究主要對雙層蜂窩夾芯結構在靜壓痕力作用下的損傷情況進行了分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試件介紹

試驗采用雙層蜂窩夾層板，蒙皮材料為玻璃纖維，上下蒙皮厚度為1 mm，中間蒙皮厚度為1.5 mm，鋪層厚度為0.1 mm，蒙皮鋪層順序為［0/90］ s。蜂窩材料為Nomex蜂窩，厚度為19 mm。蜂窩為正六邊形蜂窩，蜂窩胞元邊長L=3 mm，單層壁厚TC=0.1 mm。試件尺寸為300 mm×300 mm正方形。雙層蜂窩夾層結構蒙皮和蜂窩芯如圖1所示。

1.2 試驗方法

靜壓痕試驗參照ASTMD 6264-98（2004）［5］ “測量纖維增強聚合物基復合材料對集中準靜態(tài)壓痕力的損傷阻抗的標準試驗方法”，在實驗室室溫大氣環(huán)境下進行。本次試驗在萬能電子試驗機上進行，采用位移加載的方式施加荷載，選用為直徑40 mm的半球形壓頭，加載速率為1 mm/min。在試件受壓面貼上散斑，用兩臺高速相機和控制電腦構成DIC系統(tǒng)，用于分析試件的全場應變。在試驗開始前，確保壓頭緊密安裝在試驗機上不會打滑，并將壓頭對準試件中心。在加載過程中，時刻監(jiān)測并記錄壓頭的荷載和位移，加載至接觸面板發(fā)生破壞后，卸載并取出試件，觀察試件的損傷狀態(tài)。試驗裝置如圖2所示。

1.3 試驗結果

將試件加載至破壞以確定試件的極限荷載。為記錄下試件在不同荷載作用下的損傷情況，按每級0.5 KN進行加載。每當加載至預定的荷載后，記錄下試件的應變和卸載后的殘余變形。共進行8組試驗。試件根據加載的荷載大小分別記為F1.5、F2.0、F2.5、F3.0、F3.5、F4.0、F4.5、Fmax。利用DIC測量技術記錄不同荷載作用下，卸載之后試件表面的凹坑深度，見表1。由表1可知，隨著接觸力的增大，凹坑深度也不斷增大。當達到最大接觸力后，凹坑深度驟增，說明此時試件回彈能力下降。

2 有限元模擬

2.1 復合材料損傷準則

單層板的損傷模式包括：纖維斷裂、纖維壓縮、基體開裂和基體壓縮。本研究采用基于應力的Hashin失效準則預測單層板的損傷起始。具體表達式如下。

式中：[σ11]，[σ22]，[σ33]為單元材料主方向的應變分量；[σ12]，[σ13]，[σ23]為單元材料主方向的剪切應變分量；[Xt]為縱向拉伸強度；[Xc]為縱向壓縮強度； [Yt]為橫向拉伸強度；[Yc]為橫向壓縮強度；[Sij]表示單向板對應方向上的剪切強度。

為模擬分層損傷失效，在層合板兩個子層中間引入雙線性內聚力單元（Cohesive element）。采用二次正應力準則（Quads）進行初始判定，見式（5）。

式中：[σn]，[σs]，[σt]分別為界面法向應力和兩個剪切應力；[N]，[S]，[T]分別為界面法向和兩個剪切強度。

2.2 模型建立

采用有限元軟件ABAQUS分析雙層蜂窩夾層板在靜壓痕作用力下的損傷響應。蒙皮和壓頭單元類型為C3D8R，蜂窩單元類型為S4R，在面板層間引入零厚度的cohesive界面單元，各部分材料屬性見表2至表4。蒙皮與蜂窩芯體采用“Tie”連接綁定，壓頭與蒙皮采用通用接觸在全局接觸屬性中，法向行為選擇“硬”接觸，切向行為選擇罰函數法。在約束方面，限制底部支撐剛體的所有自由度，壓頭只保留Z方向的平移自由度，采用平滑分析步的方式對壓頭施加位移荷載。對壓頭和蒙皮接觸面中心區(qū)域的面板單元網格進行加密，仿真模型如圖3所示，網格單元總數為332 744。

3 結果與討論

3.1 模型驗證

在試驗過程中，測量和模擬出的接觸力-位移曲線如圖4所示。由圖4可知，在到達最大接觸力之前，曲線均呈線性發(fā)展沒有出現明顯的分層卸載狀況，且擬合度較高，試驗得出的極限荷載為5 405.61 N，模擬得出的極限荷載為5 549 N，誤差為2.65%。

在荷載達到最大值之前，試件的受壓表面只產生深度較小的壓痕，并且很難被觀測到，隨著應變的積累蒙皮內部產生損傷，采用DIC測量出加載到不同荷載時試件表面的應變情況。為防止試件表面發(fā)生回彈，影響測量結果，在試件未進行卸載之前進行測量。由于沒有進行卸載，只能測量出壓頭周圍的應變。選取試件F2.5、F3.5、F4.5、Fmax進行討論，試驗和模擬得出的X、Y方向的應變如圖5所示。由圖5可知，隨著接觸力的增大，兩個方向的應變都逐漸增大。試件中心沿X方向為拉應變，最大拉應變在距受壓中心約4 mm處；沿Y方向為壓應變，最大壓應變在受壓中心。

DIC測量得出的應變值和仿真值誤差較小，拉應變最大誤差為16.34%，壓應變最大誤差為18.66%，這主要是由于試驗固定過程中可能存在受力不均，而仿真模型中采用的是完全對稱的約束條件，因此模型模擬效果較好，接下來將根據此模型進行討論。

3.2 應力分析

復合材料的損傷與應力的分布情況有緊密聯(lián)系。上蒙皮共由10層鋪層組成， 在2.5、3.5、4.5 KN和極限荷載作用下受壓中心的應力沿上蒙皮厚度方向的分布情況如圖6所示。

由圖6中可知，在蒙皮表面附近的鋪層面內應力[σ1]，[σ2]的值較大，越向中間鋪層發(fā)展面內應力較小。蒙皮與壓頭接觸的正面鋪層所受應力為壓應力，背面的鋪層所受應力為拉應力，且背面所受的面內應力[σ1]，[σ2]較大，所以蒙皮在靜壓痕力作用下，一般都是背面的鋪層首先達到臨界狀態(tài)，出現損傷。面內剪切應力的值相對較小，在此處不做討論。

3.3 損傷分析

靜壓痕力作用下的蒙皮會出現纖維失效、基體破壞和層間分層等破壞模式。該試件破壞后的分層損傷不明顯，因此接下來討論纖維失效和基體破壞的情況。各鋪層維失效和基體壓縮損傷演化特點如圖7所示。

由圖7可知，隨著接觸力的增大，蒙皮首先出現基體損傷。在上蒙皮中，由于壓頭下壓導致蒙皮發(fā)生整體彎曲變形，靠近受壓端的鋪層受到較大的壓應力，基體損傷主要來自壓頭擠壓蒙皮過程中產生的基體壓縮破壞。在蒙皮的中上部，基體損傷最為嚴重，且主要是基體壓縮破壞，破壞面積向中部發(fā)展逐漸減少，在靠近遠離受壓端時又逐漸增大。

當荷載進一步增加，雙層蜂窩夾層板的變形達到一定程度，蒙皮開始發(fā)生纖維斷裂，靠近蒙皮表面鋪層的纖維斷裂情況較多。結合應力分析，上蒙皮受壓面和背面承受較大的拉應力，從而導致出現大量的纖維拉伸斷裂?；w損傷面積和纖維斷裂數量大體上呈負相關的趨勢，基體損傷面積較大的子層纖維斷裂數量普遍較少，基體損傷面積較小的子層纖維斷裂數量普遍較多。這是由于大量的基體損傷會吸收較多的層內變形能，是導致結構剛度退化的主要原因，因此才導致較少的纖維斷裂。從基體壓縮損傷的面積和纖維斷裂數量來看，基體的損傷面積遠大于纖維的損傷。這表明在蒙皮發(fā)生彎曲變形時，主要由基體破壞來吸收變形能，而纖維的斷裂數量累積到一定程度后才發(fā)生蒙皮的破壞，也是其最終承載力下降的原因。

4 結論

①試件表面凹坑深度隨著接觸力的增大而增大，試件發(fā)生破壞后回彈能力急劇下降。

②雙層蜂窩夾層板在靜壓痕力作用下，受壓蒙皮上下表面鋪層附近的正應力較大，而背面鋪層附近的正應力普遍比正面鋪層大，因此損傷通常先出現在蒙皮的背面。

③蒙皮的損傷主要是由纖維斷裂和基體壓縮破壞引起的。且基體損傷會吸收層內變形能，從而導致纖維斷裂數量的減少。因此蒙皮受壓面主要發(fā)生基體壓縮破壞，而蒙皮背面主要發(fā)生纖維拉伸斷裂。

參考文獻：

［1］ 王軒，王洪達，郭巧榮，等. 蜂窩夾層結構雷達罩可允許損傷研究［J］. 科技與創(chuàng)新，2018（4）：1-3.

［2］ 王宏磊. 軌蜂窩夾芯復合材料的力學性能研究［D］. 長春：吉林大學，2019.

［3］ ZHOU H ，XU P ，XIE S ， et al. Mechan-ical performance and energy absorption properties of structures combining two Nomex honeycombs［J］.Composite Structures，2018，185：524-536.

［4］張運來，周儲偉，雷曉恒. 復合材料層合板靜態(tài)壓痕與損傷行為［J］. 復合材料學報，2017，34（6）：1261-1270.

［5］ ASTM D6264-98（2004）. Standard test method for measuring the damage resistance of a fiber-reinforced quasi-static indentation force［S］. 1998.

收稿日期：2024-04-10

作者簡介：藍洺銘（1999—），女，碩士生，研究方向：復合材料夾層結構力學性能。