徐 猛

(陜西飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，陜西 漢中 723213)

0 引言

目前對(duì)蜂窩夾層復(fù)合材料的壓縮性能研究等涉及的研究方法主要可以歸納為2種，分別是有限元法和解析法，主要針對(duì)的是面板屈皺問(wèn)題的研究。Leotoing等通過(guò)借助第一種方法來(lái)針對(duì)材料整體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，同時(shí)借助第二種研究方法專(zhuān)門(mén)構(gòu)建相應(yīng)的模型來(lái)展開(kāi)探究；修英姝等在研究中在有限元方法的基礎(chǔ)上融合了遺傳算法進(jìn)而研究整個(gè)芯體的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，討論內(nèi)部各個(gè)影響因素之間的影響關(guān)系，如鋪層的角度和順序，厚度和扭曲度等因素，同時(shí)構(gòu)建相應(yīng)的算法模型，計(jì)算出當(dāng)厚度發(fā)生改變時(shí)此時(shí)對(duì)應(yīng)的屈曲因子，重點(diǎn)探討其厚度和臨界載荷失穩(wěn)兩者的影響；法洋洋等在研究中借助有限元法來(lái)針對(duì)夾層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并構(gòu)建相應(yīng)的研究模型，最終發(fā)現(xiàn)受到裁剪失效的影響會(huì)進(jìn)一步影響到材料的形狀變化，最終影響整個(gè)材料的質(zhì)量效果。結(jié)合上述研究?jī)?nèi)容發(fā)現(xiàn)，針對(duì)芯體厚度和材料屈曲載荷以及壓縮強(qiáng)度之間的影響關(guān)系研究比較缺乏。芯體厚度會(huì)對(duì)材料整體的壓縮性產(chǎn)生影響，Nomex蜂窩夾層復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度、絕緣、隔熱等優(yōu)勢(shì)，所以在航空領(lǐng)域中被廣泛使用，具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

選擇試樣材料，截面規(guī)格要求7.2cm×6.38cm，頂部3cm做灌膠，同時(shí)將材料兩端進(jìn)行蒙皮增加厚度，芯體寬為60cm，屬于正六邊形，其邊長(zhǎng)為0.8cm。壓縮試樣整體面板結(jié)構(gòu)主要包括三層，鋪層要求為[(±45)/0/(±45)]，要求一三層都是編織機(jī)構(gòu)，其針對(duì)選擇的材料為CCF3031/BA9916-Ⅱ，規(guī)格為2.3cm厚，第二層為單向帶，其針對(duì)選擇的材料是CCF3031/BA9916-Ⅱ，規(guī)格為1.25cm厚。蜂窩芯體制作的原材料為NRH-2-48，規(guī)格為0.8、1.2、2cm厚，彼此之間的連接主要借助膠體進(jìn)行粘連。面板性能：其中E。芯體性能：ET=107MPa,GLT=37.8MPa,GWT=22.8MPa，EL=EW=GLW=0。面板內(nèi)部各層性能：tab.1Mechanicalpropertiesof layers of carbon fiber laminates鋪層E11/MPaE22/MPAVg12/MPaG13，G23/MPaCCF300 121 200 9 720 0.311 5 5 260 3 000CF303 1 58 300 0.056 2 4 660 2 760。

1.2 試驗(yàn)方法

需要使用的設(shè)備為型號(hào)為YAW-5000F的微機(jī)針對(duì)不同厚度的芯體進(jìn)行電液長(zhǎng)柱壓力試驗(yàn)，檢測(cè)其各自的壓縮性如何，最終得出不同的結(jié)果之后計(jì)算均值。在進(jìn)行操作的過(guò)程中需要將下端進(jìn)行固定，然后從上往下進(jìn)行試壓，兩側(cè)也需要安裝夾具，需要使得整個(gè)材料處于絕對(duì)的壓縮狀態(tài)下。同時(shí)還需要在測(cè)試過(guò)程中增加應(yīng)變片，目的是能夠及時(shí)檢測(cè)出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同位置的變化，其中針對(duì)每個(gè)測(cè)試材料分別安置98個(gè)應(yīng)變片進(jìn)行檢測(cè)，并分別進(jìn)行編號(hào)記錄。具體的應(yīng)變片安裝分布：Fig.2 Positions of strain gage on the surface of specimen2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 將不同測(cè)試樣本中間第四部分的截面作為壓縮性檢測(cè)的結(jié)果

進(jìn)行研究，繪制出不同的載荷應(yīng)變曲線圖。通過(guò)繪制圖形能夠看出在厚度為0.8cm的樣本中，整體的曲線主要可以分成2部分內(nèi)容，開(kāi)始是實(shí)驗(yàn)階段直到樣本發(fā)生屈曲，然后是從開(kāi)始出現(xiàn)屈曲直到最終損壞。分析第一部分的變化整體表現(xiàn)為線性變化，而進(jìn)入到第二部分的變化中則表現(xiàn)出非線性的改變，同時(shí)即使樣本已經(jīng)出現(xiàn)明顯的屈曲變化，但是其負(fù)荷能力依然很好，在外部壓力逐漸增加的情況下這種屈曲也會(huì)逐漸增加，達(dá)到一定程度后出現(xiàn)損壞。在1.2cm厚度的芯體曲線中，發(fā)現(xiàn)其整體的曲線變化結(jié)構(gòu)和0.8cm曲線比較一致。在2cm厚度的樣本曲線圖中則和之前的變化完全不同，整體曲線結(jié)構(gòu)只表現(xiàn)出一種狀態(tài)，也就是沒(méi)有屈曲環(huán)節(jié)，直接是隨著壓力的增大發(fā)生損壞。

2.2 分析芯體厚度和屈曲載荷之間的關(guān)系

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在樣本厚度為0.8和1.2cm的實(shí)驗(yàn)中，其對(duì)應(yīng)的承載力為56、112kN，厚度為2cm的樣本中并沒(méi)有發(fā)生屈曲變化這一環(huán)節(jié)。這也就意味著厚度對(duì)于材料整體的載荷性能有著絕對(duì)的影響關(guān)系蜂窩芯體厚度對(duì) Nomex蜂窩夾層復(fù)合材料壓縮性能的影響，(a) 8mm (b) 12mm (c) 20mm，當(dāng)芯體厚度不同時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷曲線圖也會(huì)表現(xiàn)出一定的差異性。Fig.3 Load-strain curves of specimens with different honeycomb core thicknesses研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)厚度不斷增加時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷能力也在逐漸上升。而針對(duì)這種厚度一般的材料彎曲剛度計(jì)算為D=Ei1t1Ei2t2h2(Ei1t1+Ei2t2)λ(1)λ=(1-νxyνyx)，其中vxy，vyx為材料的泊松比，h為芯體厚度，t1為上面板厚度，t2為下面板厚度，Ei1為上面板彈性模量，Ei2為下面板彈性模量。通過(guò)上述計(jì)算方法能夠發(fā)現(xiàn)這種厚度平方和彎曲剛度之間為正相關(guān)，也就是說(shuō)對(duì)應(yīng)的厚度越大，此時(shí)的彎曲剛度也會(huì)增加，意味著材料的承載性能越強(qiáng)。針對(duì)0.8和1.2cm的2個(gè)材料實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在負(fù)載增加到一定程度上出現(xiàn)了彎曲變化，借助該公式計(jì)算對(duì)應(yīng)的彎曲剛度比是1∶2.25，實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果為1∶2，差異性較小。厚度為2cm的樣品中發(fā)現(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)屈曲變化，只有一種變化。

2.3 研究芯體厚度和破壞載荷之間的關(guān)系

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)3組厚度不同的樣品最終對(duì)應(yīng)的破壞載荷為99.7、124、202.1kN，對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變?yōu)?906×10-6，6464×10-6，7528×10-6。通過(guò)這組數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)厚度和破壞載荷之間的關(guān)系也為正向影響，計(jì)算后2種樣品的破壞載荷能夠發(fā)現(xiàn)比0.8cm厚度的能力提高了0.24和1.02倍。在復(fù)合材料中，芯體在和厚度垂直的LW面內(nèi)剛度是處于無(wú)窮小的狀態(tài)，而GLW和L、W方向分別對(duì)應(yīng)的EL、EW的值都是0，也就是說(shuō)在LW面內(nèi)的載荷主體為面板自身，芯體的作用只是進(jìn)行結(jié)構(gòu)支撐。這也就意味著在芯體的厚度發(fā)生變化不斷變大的時(shí)候，此時(shí)的材料對(duì)應(yīng)的屈曲度也會(huì)發(fā)生變化，而一旦出現(xiàn)屈曲變化時(shí)，這種載荷能力將會(huì)大打折扣，并隨著壓力的不斷增加最終出現(xiàn)破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)論：(1)復(fù)合材料本身的屈曲載荷和芯體厚度之間正相關(guān)，當(dāng)厚度較薄時(shí)，對(duì)應(yīng)的載荷能力也會(huì)減弱。實(shí)驗(yàn)中在0.8、1.2cm厚度的樣本中，出現(xiàn)了屈曲變化，而2cm的實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有屈曲變化，則后者的承載能力要大于前兩者。(2)如果材料的這種載荷能力比面板斷裂強(qiáng)度要高，則此時(shí)的這種厚度變化和載荷性能之間的關(guān)系逐漸減弱。所以只有當(dāng)這2種載荷能力相同時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的厚度是保障材料性能質(zhì)量最優(yōu)的數(shù)值。