薛斌

【摘 要】本文進(jìn)行了關(guān)于共膠結(jié)/共固化工藝方法影響工字型筋條與蒙皮脫粘性能關(guān)鍵因素的試驗和數(shù)值模擬研究。得出共固化工藝比共膠結(jié)有更好的抵抗脫粘的能力、腹板與下緣條連接處的填充區(qū)損傷會對整體性能產(chǎn)生較大影響等結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料;脫粘;力學(xué)試驗

中圖分類號： V214.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）14-0163-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.079

【Abstract】The mechanical property test and numerical simulation of the interface between I shape stringer and skin are carried on in this paper both in the co-bonded and co-cured process. The results showed that co-cured process has better de-bond resistant ability comparing to co-bonded process. The noodle of stringer can introduce a significant influence on the overall mechanical property.

【Key words】Composite material;De-bond;Mechanical test

0 前言

本文針對復(fù)合材料加筋板單筋條-蒙皮局部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了四點彎曲試驗。驗證由于局部屈曲導(dǎo)致的筋條蒙皮粘接面的脫粘現(xiàn)象。試驗過程監(jiān)測載荷-位移、應(yīng)變。

1 試驗

a）試驗件描述

本文針對工字型筋條加筋板的典型局部區(qū)域。設(shè)計兩類試驗件進(jìn)行分析和試驗測試驗證：共固化工藝、共膠結(jié)工藝。

在該實驗中，長桁腹板與下緣條連接位置的過渡區(qū)由0°纖維及樹脂制作的捻子條填充。該區(qū)域在承受彎曲載荷的過程中存在可能的應(yīng)力集中：

b）試驗方案設(shè)計

本試驗設(shè)計專用夾具試驗筋條蒙皮粘接面的純彎矩作用，試驗狀態(tài)如圖1所示。為了保證數(shù)據(jù)重復(fù)性，每種構(gòu)型包含2件試驗件。試驗設(shè)備采用Instron5966電子靜力試驗機，通過位移進(jìn)行加載，速度1mm/min。

為了檢測試驗過程中可能出現(xiàn)的筋條蒙皮脫粘現(xiàn)象，設(shè)計使用應(yīng)變片進(jìn)行定載荷下的應(yīng)變測量。利用試驗過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)檢驗加載是否有偏斜，通過應(yīng)變數(shù)據(jù)跳動檢測脫粘的起始位置及載荷。由于試驗過程不可能完全避免夾具試驗件空隙帶來的應(yīng)變數(shù)值不穩(wěn)定，試驗過程以0.5KN作為應(yīng)變檢測的零點。

c）試驗結(jié)果

試驗觀測結(jié)果如下：

采用共固化工藝的試驗件，加載到2KN時上緣條多處應(yīng)變數(shù)據(jù)明顯震蕩，脫粘起始。載荷到達(dá)3.2KN時，觀測到下緣條與蒙皮之間的損傷起始。至3.8KN過程中，該損傷不斷擴(kuò)展，并且3.8KN載荷時刻裂紋有向蒙皮內(nèi)部擴(kuò)展的趨勢。在載荷為3.6KN之前，雖然出現(xiàn)了損傷的萌生和擴(kuò)展，但是載荷-位移數(shù)據(jù)和位于蒙皮上的應(yīng)變數(shù)據(jù)對該現(xiàn)象不敏感。該現(xiàn)象說明共固化過程形成的界面，裂紋擴(kuò)展較穩(wěn)平緩，且不會對試驗件整體的剛度造成直接影響。約3.8KN處，試驗件發(fā)出明顯聲響，隨即檢測到另一側(cè)的下緣條與蒙皮粘接位置有脫粘出現(xiàn)并不斷擴(kuò)展，同時載荷-位移曲線發(fā)生跳動。

采用共膠結(jié)工藝的試驗件，試驗加載至1.5KN時試驗件發(fā)出響聲，緣條上部應(yīng)變出現(xiàn)明顯震蕩，蒙皮對應(yīng)位置的應(yīng)變值也有所反映。但是，此時載荷位移曲線并沒有明顯變化，裂紋觀測儀也未捕捉到明顯現(xiàn)象。至3KN時，一側(cè)緣條觀測到位于中部膠合劑內(nèi)部的損傷不穩(wěn)定快速擴(kuò)展。同時，載荷-位移曲線也出現(xiàn)了較為明顯的平緩階段，顯示該段試驗件的承載能力有所變化。隨著載荷的繼續(xù)增加，兩側(cè)緣條均觀測到脫粘的快速擴(kuò)展，值得注意是兩側(cè)的脫粘位置并不相同，其中左側(cè)發(fā)生在膠合劑內(nèi)部，而右邊損傷發(fā)生在蒙皮內(nèi)部。載荷約到達(dá)5.2KN時，觀測到填充區(qū)內(nèi)有損傷出現(xiàn)，但是此時載荷-位移曲線并沒有顯著變化。

對比前述的試驗現(xiàn)象，共膠結(jié)的試驗件，在較低載荷處即發(fā)生了載荷-位移曲線的彎折。試驗過程中，在該段彎折均伴隨著脫粘的不穩(wěn)定快速擴(kuò)展。而共固化試驗件并沒有出現(xiàn)類似的平臺期，脫粘擴(kuò)展過程也更加穩(wěn)定和平穩(wěn)。因而，采用共固化工藝的連接面，在抵抗裂紋萌生和不穩(wěn)定擴(kuò)展的方面，具有更好的力學(xué)表現(xiàn)。

試驗件腹板與下緣條連接處，存在由0°纖維與樹脂形成的填充區(qū)。在實際加載過程中，該區(qū)域的承受較大的載荷，因而也會發(fā)生破壞。

2 總結(jié)

對于同構(gòu)型的試驗件，共膠接界面不僅損傷起始載荷較低，且擴(kuò)展不穩(wěn)定的特點。相對于共固化試驗件，共膠結(jié)工藝雖然更容易實現(xiàn)，但受到諸如表面狀態(tài)和鋪層方式的影響較大，尤其在加筋板這種無法施加均勻載荷使之粘接牢固的結(jié)構(gòu)中，很容易產(chǎn)生不穩(wěn)定的擴(kuò)展。上文截取的圖像顯示，共固化工藝界面的損傷均有向蒙皮內(nèi)部擴(kuò)展趨勢，而共膠結(jié)工藝連接面多數(shù)損傷起始和擴(kuò)展位置為膠接界面。應(yīng)變數(shù)值躍動標(biāo)示的筋條蒙皮分離起始同時或較早于裂紋觀測儀的觀測。而載荷位移曲線對于該種分離損傷的響應(yīng)明顯遲于上述兩種觀測的結(jié)果。這說明，雖然國內(nèi)外學(xué)者的研究均說明筋條蒙皮之間的脫粘為整體加筋板破壞的直接誘因，但脫粘損傷的起始與破壞之間仍然有較大冗余空間，在該段空間內(nèi)，筋條本身的折斷和蒙皮損傷都有可能直接影響最終破壞。