李鶯歌 關(guān) 鑫 陳維強(qiáng) 彭志剛 朱大雷

(北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

文 摘 對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及其側(cè)向和板內(nèi)M5埋件力學(xué)性能進(jìn)行了研究，分析了蒙皮厚度、膠黏劑面密度和膠接強(qiáng)度對(duì)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)增加蒙皮厚度，有利于提高蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及其埋件的力學(xué)性能；在同等膠接強(qiáng)度下，膠黏劑面密度對(duì)力學(xué)性能的影響可以忽略，可選用面密度較低的膠黏劑來(lái)降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量；埋件系統(tǒng)承受面內(nèi)剪切載荷的能力明顯優(yōu)于其承受垂直于蒙皮的面外拉拔載荷能力；承受面內(nèi)剪切載荷時(shí)，埋件系統(tǒng)的失效模式以埋件區(qū)域蒙皮局部破壞為主；承受面外拉拔載荷時(shí)，埋件周圍蜂窩芯先失穩(wěn)破壞，并最終導(dǎo)致埋件帶動(dòng)蒙皮變形、局部發(fā)生破壞。所得結(jié)果可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

0 引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度、比剛度高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為航天器的基本結(jié)構(gòu)部件[1-3]，主要用于提供支撐、承受和傳遞載荷、保持結(jié)構(gòu)剛度等方面[4]。其中，埋件是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)連接，以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上儀器設(shè)備安裝時(shí)的主要受力部件[5]。研究蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及其埋件的力學(xué)性能對(duì)優(yōu)化航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、平衡結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)質(zhì)量意義重大。本文簡(jiǎn)述蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及其埋件的力學(xué)性能測(cè)試條件和結(jié)果，分析蒙皮厚度、膠黏劑面密度和膠接強(qiáng)度對(duì)力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件

1.1.1尺寸及構(gòu)型

(1)膠黏劑試件包括剪切試件和90°板-蜂窩剝離試件。其中，剪切試件的尺寸及構(gòu)型按GB7124—1986規(guī)定，90°板-蜂窩剝離試件按GJB130.8-1986規(guī)定。

(2)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)平面拉伸試件尺寸為60 mm×60 mm×21 mm，平面剪切試件尺寸為150 mm×50 mm×21 mm，彎曲試件尺寸為600 mm×55 mm×21 mm，蜂窩L方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向。

(3)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)埋件靜力試件尺寸及構(gòu)型見圖1，試件高度為21 mm，蜂窩L方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，具體的埋件尺寸及構(gòu)型見圖2。

圖1 金屬埋件靜力試件示意圖Fig.1 Metal insert pull-out sample

圖2 金屬埋件結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schema of different metal inserts

1.1.2材料

(1)蒙皮，國(guó)產(chǎn)碳纖維/改性氰酸酯樹脂BHM3-3K/BS-4復(fù)合材料層合板[6]，厚度0.32、0.24 mm。其中，試件a選用0.32 mm，試件b、c選用0.24 mm。

(2)埋件，3#高強(qiáng)鋁棒AAHS-3-T6(Z/HNZJ001-2007)，直徑22、28 mm。

(3)蜂窩，有孔鋁蜂窩芯材LF2-Y(HB5443-90)，鋁箔厚度0.03 mm，格孔邊長(zhǎng)5 mm，芯高20.4、20.5 mm。其中，試件a選用20.4 mm，試件b、c選用20.5 mm。

(4)膠黏劑，試件a、b選用J-312系列(Q/HSY202-2012)，包括底膠J-312B，膠膜J-312C，面密度約為(130～140)g/m2；試件c選用J-47系列(Q/HSY003-2012)，包括底膠J-47B，膠膜J-47C，面密度約為(200～210)g/m2；發(fā)泡膠均選用J-47D，厚度1 mm。

1.1.3制備工藝

(1) 預(yù)浸料，利用熱熔法獲取BHM3-3K/BS-4預(yù)浸無(wú)緯布，厚度0.06、0.08 mm，控制含膠量約為38wt%，揮發(fā)分≤1.0%。

(2) 蒙皮，將預(yù)浸料按纖維方向[0°/+45°/-45°/90°]次序疊合后經(jīng)真空袋—熱壓罐法固化成形。固化工藝為0.9 MPa，180℃，2 h，并于全過程保持-0.1 MPa的真空壓。其中，纖維0°方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，90°層為蒙皮與蜂窩的膠接面。

(3) 埋件，按圖2采用數(shù)控機(jī)床加工。

(4) 表面處理，埋件采取磷酸陽(yáng)極氧化處理，蜂窩芯材膠接面利用乙酸乙酯清洗，蒙皮膠接面打磨樹脂層后用乙酸乙酯清洗。

(5) 剪切試件膠接工藝，按(80±20)g/m2的涂膠量在兩個(gè)剪切試片的膠接面上均勻涂刷底膠，烘干后將膠膜鋪放在任意一個(gè)試片的膠接面上，然后將兩個(gè)試片進(jìn)行膠接。

(6) 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接工藝，按(80±20)g/m2的涂膠量將底膠均勻地涂于蒙皮膠接面，以及埋件上下端面，烘干后在蒙皮膠接面鋪放膠膜，在埋件周圍包裹發(fā)泡膠，利用膠黏劑將各類零件組合為一體。

(7) 試件固化工藝，利用真空袋—熱壓罐法固化，固化工藝為0.12 MPa，130℃，2 h[7]。

1.2 測(cè)試

1.2.1測(cè)試設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)

采用Instron5982型材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)按GB7124—1986測(cè)試膠黏劑剪切性能，按GJB130.8—1986測(cè)試膠黏劑90°板-蜂窩剝離性能；按GJB130.4—1986測(cè)試蜂窩夾層結(jié)構(gòu)平面拉伸性能；按GJB130.6—1986測(cè)試蜂窩夾層結(jié)構(gòu)平面剪切性能；按GJB130.9—1986測(cè)試蜂窩夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能，測(cè)試跨距為300 mm。

1.2.2夾具及加載方式

膠黏劑和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)性能測(cè)試依據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)全部選用標(biāo)準(zhǔn)夾具。

埋件性能測(cè)試夾具包括兩類，分別用于埋件的面外拉拔和面內(nèi)剪切性能測(cè)試。其中，面外拉拔測(cè)試夾具由底板、調(diào)平塊、壓板、固定螺桿、施力螺桿和組合螺栓組成。底板通過固定螺桿固定在試驗(yàn)機(jī)上；壓板中心有加載口，直徑φ100 mm，施力螺桿穿過加載口，通過試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件施加拉脫力[8]；測(cè)試時(shí)，利用調(diào)平塊將試件水平固定在底板與壓板之間，再用組合螺栓裝夾。面內(nèi)剪切測(cè)試夾具由加載板和緊固螺釘組成，緊固螺釘通過埋件螺孔，將加載板與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板固定，試驗(yàn)機(jī)通過加載板對(duì)埋件施加剪切載荷。側(cè)向埋件垂直于邊緣進(jìn)行剪切時(shí)可在螺孔內(nèi)對(duì)稱安裝固定螺桿和施力螺桿，通過試驗(yàn)機(jī)施加縱向拉伸載荷。

埋件力學(xué)性能檢測(cè)的加載方式(圖3)為施加面外拉拔力和面內(nèi)剪切力，用以考核埋件承受拉拔和剪切載荷的能力，每種加載方式的描述見表1。測(cè)試過程應(yīng)使固定螺桿、施力螺桿位于同一軸線并垂直于埋件的螺孔端面，然后再對(duì)埋件施加縱向拉伸載荷，預(yù)加載100 N，再按5 mm/min的速度加載至試件破壞。

圖3 埋件靜力試件加載方式示意圖Fig.3 Schermatic of diffrent metal insert pull-out sample

表1 加載方式的描述

Tab.1 Description of loading modes

加載方式代號(hào)埋件特點(diǎn)加載方式描述A-A邊緣側(cè)向埋件沿邊緣方向面內(nèi)剪切B-B邊緣側(cè)向埋件垂直于邊緣方向面內(nèi)剪切C-C內(nèi)部板內(nèi)埋件平行于蒙皮方向面內(nèi)剪切D邊緣側(cè)向埋件垂直于蒙皮方向面外拉拔E內(nèi)部板內(nèi)埋件垂直于蒙皮方向面外拉拔

2 結(jié)果與討論

2.1 膠黏劑的膠接性能

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中蒙皮與蜂窩之間膠黏劑的剪切強(qiáng)度、90°板-蜂窩剝離強(qiáng)度是衡量膠黏劑膠接性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)考察了J-312系列和J-47系列膠黏劑的膠接性能。實(shí)測(cè)結(jié)果見表2，相比J-47系列，J-312系列膠黏劑的比強(qiáng)度更高，其面密度雖然降低了約70 g/m2，但其膠接強(qiáng)度與J-47系列相當(dāng)，甚至更優(yōu)。因此，在同等膠接強(qiáng)度下，選擇J-312系列膠黏劑可有效降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

表2 膠黏劑性能指標(biāo)

2.2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的蒙皮主要承擔(dān)結(jié)構(gòu)中的彎曲應(yīng)力以及面內(nèi)拉、壓和剪切應(yīng)力；蜂窩芯材在夾層結(jié)構(gòu)中起連接和支撐蒙皮的作用，主要承擔(dān)橫向剪切應(yīng)力；蒙皮與蜂窩之間的膠黏劑將蒙皮和蜂窩芯材束縛成整體，主要提供界面強(qiáng)度與剛度。為分析蒙皮厚度、膠黏劑面密度和膠接性能對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響，采用本文1.1節(jié)相應(yīng)條件分別制成試件a、b、c，其力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件b，c的力學(xué)性能基本相當(dāng)，這是由于試件b，c除蒙皮與蜂窩之間的膠黏劑不同外，其他技術(shù)狀態(tài)完全一致，而兩種膠黏劑雖然牌號(hào)和面密度不同，但其膠接強(qiáng)度基本相當(dāng)，因此不影響試件的力學(xué)性能。由此可知，在同等膠接強(qiáng)度下，可采用面密度較低的膠黏劑以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試件a的力學(xué)性能明顯優(yōu)于試件b和c，分析各類試件的技術(shù)狀態(tài)可知，這是由于試件a的蒙皮厚度為0.32 mm，而試件b和c的蒙皮厚度為0.24 mm，對(duì)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)而言，在保證蒙皮與蜂窩膠接強(qiáng)度的前提下，蒙皮厚度越大，其強(qiáng)度越大，相應(yīng)的抵抗彎曲應(yīng)力、面內(nèi)拉、壓和剪切應(yīng)力的能力也越大，因此，蒙皮較厚的試件，其平面拉伸、平面剪切和彎曲性能也越高。

表3 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

2.3 側(cè)向M5埋件的力學(xué)性能

在等厚度21 mm的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)埋置尺寸構(gòu)型完全一致的側(cè)向M5埋件，對(duì)應(yīng)不同的蒙皮和膠黏劑，埋件在各個(gè)加載方式下的承載力見表4。

表4 側(cè)向M5埋件的力學(xué)性能

測(cè)試結(jié)果表明，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中側(cè)向M5埋件的承載力表現(xiàn)為試件a最優(yōu)，試件b略優(yōu)于試件c。而且，同種試件中側(cè)向埋件在不同加載方式下的承載力差異也較大，其中垂直于邊緣方向的面內(nèi)剪切載荷承載力最大，沿邊緣方向的面內(nèi)剪切載荷次之，垂直于蒙皮方向的面外拉拔載荷最低。分析認(rèn)為：側(cè)向埋件位于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)邊緣，在垂直于蒙皮的面外拉拔載荷作用下，埋件系統(tǒng)需要同時(shí)承受拉拔、剪切和剝離等多種形式的載荷，但由于埋件位于結(jié)構(gòu)邊緣，所受載荷無(wú)法有效、均勻地傳遞給周圍的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，所以埋件區(qū)域的蜂窩芯材和蒙皮會(huì)很快受到破壞而導(dǎo)致承載失效，埋件承載力較低。但側(cè)向埋件承受面內(nèi)剪切載荷時(shí)，所受載荷會(huì)通過埋件與蒙皮之間的膠黏劑直接傳遞給上下蒙皮，并最終以埋件區(qū)域的蒙皮破壞導(dǎo)致承載失效。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，埋件承受垂直于邊緣方向的面內(nèi)剪切載荷時(shí)，埋件端面的受力均勻、單一，而埋件承受沿邊緣方向的面內(nèi)剪切載荷時(shí)，由于埋件系統(tǒng)需要同時(shí)承受剪切和扭轉(zhuǎn)等多種載荷，埋件端面不同部位的受力各不相同，在相同載荷下扭矩較大部位的蒙皮會(huì)首先發(fā)生破壞導(dǎo)致承載失效，因此，側(cè)向埋件承受垂直于邊緣方向的面內(nèi)剪切能力明顯高于其承受沿邊緣方向的面內(nèi)剪切載荷能力。

2.4 板內(nèi)M5埋件的力學(xué)性能

在等厚度21 mm的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)埋置尺寸構(gòu)型完全一致的板內(nèi)M5埋件，對(duì)應(yīng)的不同蒙皮和膠黏劑，埋件在各個(gè)加載方式下的承載力見表5。

測(cè)試結(jié)果表明，試件a中的板內(nèi)M5埋件承載能力最優(yōu)，試件b，c中的板內(nèi)M5埋件承載能力基本相當(dāng)。分析認(rèn)為：在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中，板內(nèi)埋件受到的面內(nèi)剪切載荷會(huì)通過埋件上下端面與蒙皮之間的膠黏劑直接傳遞給上下蒙皮，由于三種試件所用膠黏劑的膠接強(qiáng)度基本一致，但試件a的蒙皮略厚，試件b，c的蒙皮厚度一致，且相對(duì)較薄，因此試件a的埋件承載力較大，試件b，c的埋件承載力較小，且數(shù)據(jù)基本相當(dāng)。另一方面，板內(nèi)埋件受到的面外拉拔載荷會(huì)經(jīng)過埋件周圍的膠黏劑以剪切力形式傳遞給周圍的蜂窩芯材和蒙皮，由于蜂窩芯材的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)低于膠黏劑的剪切強(qiáng)度，因此在垂直于蒙皮的面外拉拔載荷作用下，蜂窩芯材在未達(dá)到屈服強(qiáng)度極限時(shí)，就發(fā)生了皺褶現(xiàn)象，隨著載荷加大，蜂窩芯材的受力情況便由起初的受剪切力變?yōu)榱搜胤涓C芯材對(duì)角線的拉力，直至埋件周圍的蜂窩芯材被撕裂破壞，埋件帶動(dòng)蒙皮沿法向移動(dòng)，最終導(dǎo)致埋件區(qū)域復(fù)材蒙皮斷裂分層，埋件系統(tǒng)承載失效[9-10]。綜合以上分析，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板內(nèi)埋件承受垂直于蒙皮的面外拉拔載荷能力較面內(nèi)剪切載荷能力低，且蒙皮厚度越大，埋件承載力越大。

表5 板內(nèi)M5埋件的力學(xué)性能

3 結(jié)論

(1) 在保證蒙皮與蜂窩膠接強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)增加蒙皮厚度，有利于提高蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及其埋件的力學(xué)性能。

(2)在同等膠接強(qiáng)度下，蒙皮與蜂窩之間的膠黏劑面密度對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及其埋件力學(xué)性能的影響可以忽略，可以選用面密度較低的膠黏劑來(lái)降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

(3) 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)埋件承受面內(nèi)剪切載荷的能力明顯優(yōu)于其承受垂直于蒙皮的面外拉拔載荷能力。

(4) 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)埋件所受面內(nèi)剪切載荷會(huì)通過膠黏劑直接傳遞給埋件區(qū)域的上下蒙皮，埋件系統(tǒng)的失效模式以蒙皮局部破壞為主。

(5) 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)埋件所受垂直于蒙皮的面外拉拔載荷會(huì)通過膠黏劑以剪切力的形式傳遞給周圍蜂窩芯材和上下蒙皮，失效模式為埋件周圍蜂窩芯材先失穩(wěn)破壞，并最終導(dǎo)致埋件帶動(dòng)蒙皮變形、局部發(fā)生破壞。