李威翰

摘要：對復合材料薄壁蜂窩夾層結構進行沖擊后壓縮試驗，研究沖擊參數對其損傷容限以及損傷阻抗的影響。結果表明薄壁夾層結構隨著沖頭直徑的增加在相同沖擊能量下剩余壓縮強度增大，沖擊后凹坑深度減小。

關鍵詞：復合材料；蜂窩夾層結構；損傷容限；損傷阻抗

1 引言

與金屬材料相比，由于復合材料具有明顯的各向異性，使其可設計性得到很大的提升。同時，由于具有較好的比強度、比剛度，抗疲勞性以及耐腐蝕等特點，使得復合材料得到了廣泛的應用。與傳統(tǒng)的復合材料層壓板相比，復合材料夾層結構在提高了彎曲剛度的基礎上，進一步減輕重量。復合材料夾層結構根據中間芯子的不同可以大致分為泡沫夾層結構和蜂窩夾層結構。其中蜂窩夾層結構與泡沫夾層結構相比，密度更低并且在法向上具有更高的抗壓強度。但是，與復合材料層壓板相同，蜂窩夾層結構在受到沖擊后，面板會產生分層、基體斷裂等損傷。這些損傷會極大地降低面板強度和剛度。蜂窩夾層結構對沖擊的損傷容限以及損傷阻抗除了與蜂窩夾層自身的結構參數有關以外，與所受到的沖擊參數也密切相關?；谝陨显颍疚膶_擊參數中沖頭直徑對薄壁蜂窩夾層結構的損傷容限以及損傷阻抗的影響進行了研究，為薄壁蜂窩夾層結構的設計提供參考。

2 沖擊試驗

2.1 試件結構參數

試驗件的尺寸為200×250mm，其鋪層信息為[45/90/90 蜂窩19.0590/90/45]，即薄壁蜂窩夾層結構試件。沖擊的引入以及壓縮的試驗標準均參考ASTM D7136以及ASTM D7137實施。

2.2、沖擊參數

本試驗中選取2.5J～13J這一范圍的能量對試件進行沖擊，同時選取了直徑為16mm以及25.4mm的兩種沖頭。

3 結果分析

3.1 沖頭直徑對損傷容限的影響

復合材料損傷容限即材料或結果在受到損傷后保證安全性的能力。復合材料的損傷容限可以通過沖擊后剩余壓縮強度來表征[1]。

從圖1可知，通過最小二乘法擬合可以得到對應不同沖頭直徑的剩余壓縮強度與沖擊能量的線性關系。從中不難看出，沖頭直徑增大，沖擊能量對薄壁蜂窩夾層結構的剩余強度影響越小，體現在擬合直線的斜率上。

同時，通過擬合得到的直線可以估算，當沖擊能量大于6J時，隨著沖擊能量的增大，沖頭直徑較大的試件，其剩余強度反而比沖頭直徑較小的試件的剩余強度要大。這與層壓板或者厚壁夾層結構的規(guī)律相反[2]。這是由于薄壁夾層結構單側面板的彎曲剛度要遠小于層壓板或厚壁夾層結構的面板。并且隨著沖頭直徑的增加，面板的穿透性降低。致使沖擊后損傷面積變小同時損傷的擴展也受到阻礙。薄壁面板更容易發(fā)生受壓斷裂而由于非損傷擴展導致斷裂失效。由于損傷面積小，損傷區(qū)域附近截面應力較低。最終導致隨著沖擊能量的增加，沖頭直徑大的試板的剩余強度推算值反而高于沖頭直徑小的試板。

3.3.2、沖頭直徑對損傷阻抗的影響

復合材料的損傷阻抗一般是指抵抗沖擊事件的能力或給定沖擊力導致的損傷尺寸。復合材料的損傷阻抗可以用損傷區(qū)域的面積以及沖擊后凹坑深度來表征，本文采用凹坑深度來表征蜂窩夾層結構的損傷阻抗。

從圖2可以得出對應不同沖頭直徑的凹坑深度與沖擊能量的擬合直線。從擬合直線的斜率可以看出，在相同的沖擊能量下，對應沖頭直徑小的試板的凹坑深度受沖擊能量的影響更大。

4、結論

薄壁蜂窩夾層結構的剩余壓縮強度的預測值隨著沖頭直徑的增大而增大。同時在相同的沖擊能量下，對應沖頭直徑小的試板的凹坑深度受沖擊能量的影響更大。

5、引用

1. 沈真，復合材料損傷阻抗和損傷容限的性能表征

2. Damage Tolerance Characterization of Sandwich Composites Using ResponseSurfaces-ar02-101

3. 王念，復合材料層合板沖擊損傷及損傷容限研究

4. 馮康軍，飛機復合材料結構損傷容限平定及適航審定技術的研究

本項目編號為MJ-2014-F-09，批準文號為工信部聯(lián)裝 [2015]391號