徐程程

（中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

1 直升機(jī)結(jié)構(gòu)概述

隨著直升機(jī)的發(fā)展，復(fù)合材料的使用在直升機(jī)上所占的比例也越來越大。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為典型復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形式，以比其他結(jié)構(gòu)更高的強(qiáng)度、剛度與重量的比值，擁有顯著的減重效益，在直升機(jī)結(jié)構(gòu)上有著廣泛的應(yīng)用。

在直升機(jī)結(jié)構(gòu)中，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)經(jīng)常被制作成各種面板，用于蒙皮、整流罩、地板等結(jié)構(gòu)。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)的連接、設(shè)備的安裝，除層壓區(qū)外，主要是由埋件來實(shí)現(xiàn)的，通過埋件將載荷傳遞并擴(kuò)散到結(jié)構(gòu)中，因此埋件的強(qiáng)度性能直接影響到了直升機(jī)的結(jié)構(gòu)可靠性。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上的埋件分為預(yù)埋件和后埋件兩類。預(yù)埋件是在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在固化之前用發(fā)泡膠和蜂窩芯膠接，并與面板直接膠接、共同固化所形成；后埋件是在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)固化完成之后，用數(shù)控對(duì)埋件孔位進(jìn)行加工，再埋置后埋件進(jìn)行固化[1]。由于工藝裝配等問題，直升機(jī)上使用的埋件多為后埋件，本文通過實(shí)驗(yàn)的方法來研究某種蜂窩夾層結(jié)構(gòu)后埋件的強(qiáng)度。

2 理論計(jì)算方法

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)埋件主要載荷為垂直于蜂窩面板的拉伸載荷、平行于面板的面內(nèi)剪切載荷以及拉伸-剪切復(fù)合載荷。

埋件的拉伸承載能力Pt為：

埋件的剪切承載能力Qs為：

埋件受拉伸-剪切復(fù)合載荷時(shí)：

式中：b為膠的灌注半徑；

tc為蜂窩芯高度；

τc為蜂窩芯的剪切強(qiáng)度；

c*=β/(β+1)；β=tc/tf；

tf為面板厚度；

τw為w向蜂窩芯的剪切強(qiáng)度；

σfy為面板的屈服強(qiáng)度；

c2=-0.931 714；n=0.262 866；

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)面板采用金屬鋁面板，試驗(yàn)件變量為兩種埋件位置：埋件在試驗(yàn)件中心和埋件在試驗(yàn)件邊緣；兩種不同面板厚度：0.3 mm和0.4 mm；相互組合共4組試驗(yàn)件，即1組：面板0.3 mm，埋件在中心；2組：面板0.4 mm，埋件在中心；3組：面板0.3 mm，埋件在邊緣；4組：面板0.4 mm，埋件在邊緣。

試驗(yàn)件固定在夾具中，夾具水平固定，整體安裝在實(shí)驗(yàn)機(jī)上，通過試驗(yàn)機(jī)向上加載至實(shí)驗(yàn)件破壞，記錄實(shí)驗(yàn)載荷，通過改變夾具與水平面的夾角來調(diào)整載荷與試驗(yàn)件的加載角度，加載角度α取0°，30°，45°，60°，90°，如圖1—3所示。

圖1 試驗(yàn)件加載示意

圖2 0°加載示意

圖3 90°加載示意

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)理論計(jì)算方法，計(jì)算蜂窩夾層結(jié)構(gòu)埋件的承載能力，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。第1組試驗(yàn)件的拉伸承載能力理論計(jì)算值為5 736.56 N，試驗(yàn)結(jié)果為6 249.2 N，存在8.2%的誤差，剪切承載能力理論計(jì)算值為7 356 N，試驗(yàn)結(jié)果為7 351 N，存在0.07%的誤差；第2組試驗(yàn)件的拉伸承載能力理論計(jì)算值為6 066.73 N，試驗(yàn)結(jié)果為6 457.2 N，存在6.05%的誤差，剪切承載能力理論計(jì)算值為7 896 N，試驗(yàn)結(jié)果為8 100 N，存在2.52%的誤差。兩組試驗(yàn)件的理論計(jì)算值和試驗(yàn)值相差不大，或略小于試驗(yàn)值。第3～4組試驗(yàn)件的理論計(jì)算值和試驗(yàn)值相比，拉伸承載能力誤差分別為11.14%，20.59%，剪切承載能力誤差分別為1.32%，4.57%。

表1 試驗(yàn)件破壞載荷

圖4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語

本文以某種蜂窩夾層結(jié)構(gòu)后埋件為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）得到了常用面板厚度和埋件位置的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)埋件的拉伸和剪切承載能力，最小分別為5 030.8 N和7 260 N。

（2）蜂窩夾層結(jié)構(gòu)埋件的拉伸承載能力受埋件位置影響較大，剪切承載能力受埋件位置影響較小。

（3）中心埋件的拉伸和剪切承載能力均大于邊緣埋件。

（4）中心埋件的理論計(jì)算值與試驗(yàn)值相比誤差基本控制在10%以內(nèi)，理論計(jì)算方法可以在直升機(jī)中心埋件連接設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用。