劉 玥，劉 偉，華 洲，高維成

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱 150001；2.上海機(jī)電工程研究所，上海 200233）

蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)化、耐沖擊的優(yōu)越性能，因此被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年發(fā)展，如今已形成以金屬、碳纖維或玻璃纖維等材質(zhì)為面板，以鋁、Nomex 紙蜂窩為芯層的夾芯結(jié)構(gòu)。Gibosn 等[1]采用解析法，對金屬蜂窩的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析。王穎堅(jiān)[2]同樣采用解析法，考慮了蜂窩壁板間的相互約束影響，對平壓載荷下蜂窩結(jié)構(gòu)的彈性屈曲進(jìn)行了分析。Paik 等[3]采用試驗(yàn)法研究了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲載荷下的承載特性，結(jié)果表明，蜂窩單胞壁厚的增加能夠提高蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度。Giglio等[4]采用有限元法并結(jié)合試驗(yàn)，以鋁面板和Nomex蜂窩所構(gòu)成的夾芯結(jié)構(gòu)為研究對象，分析了在三點(diǎn)彎曲載荷下的蜂窩非線性后屈曲過程；為了評估其結(jié)構(gòu)的耐撞性能，對夾芯結(jié)構(gòu)的吸能性進(jìn)行了分析。蔡茂等[5]采用試驗(yàn)和有限元方法，對鋁合金蜂窩的軸向壓縮吸能特性進(jìn)行了評估，研究了增加胞壁的厚度和縮小邊長對質(zhì)量增率和吸能增率的影響。井玉安等[6]采用質(zhì)量比吸能對不同規(guī)格的鋁蜂窩的吸能性進(jìn)行了評估。王中鋼等[7]對Q215 鋼蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的吸能性進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明該夾芯結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度和吸能值隨胞壁厚度與邊長之比的增加而增大。王宏磊[8]采用試驗(yàn)法，以Nomex蜂窩高度15mm為研究對象，討論了成型溫度、壓力以及時(shí)間對蜂窩力學(xué)性能的影響，得到了成形參數(shù)對蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律。竇明月等[9]采用有限元法，對Nomex蜂窩高度12.7mm時(shí)在壓縮載荷下的屈曲和后屈曲失效過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比分析了特征值法和弧長法在求解屈曲載荷和極限載荷方面的計(jì)算精度優(yōu)劣。Seemann 等[10]采用有限元方法，通過引入初始缺陷構(gòu)建了蜂窩結(jié)構(gòu)的有限元模型，對Nomex蜂窩結(jié)構(gòu)在拉伸、壓縮和剪切載荷下的蜂窩失效過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

目前，關(guān)于金屬材質(zhì)蜂窩的壓縮性能的研究已經(jīng)比較充分，對于單胞高度在5～10mm之間的Nomex 材質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮吸能過程及壓縮機(jī)理的研究仍然不足。針對此，本文采用試驗(yàn)方法，研究了6mm和8mm 蜂窩高度對結(jié)構(gòu)吸能性及抗壓強(qiáng)度的影響，并對平壓載荷下4個(gè)階段的蜂窩壓潰失效機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)及方法

參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM-C365/C365M-05（夾芯結(jié)構(gòu)平壓性能試驗(yàn)方法）[11]，在干燥、室溫23℃的環(huán)境中，采用Instron-5569 通用材料試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示，開展Nomex蜂窩芯層的平壓性能試驗(yàn)，所有試件均符合標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)要求。試驗(yàn)裝載平臺的上壓盤連接試驗(yàn)機(jī)的加載端頭，其只能沿豎直Z方向移動(dòng)加載；下固定底盤連接試驗(yàn)機(jī)的支持端，Nomex蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)放置于固定底盤上。加載平臺將壓縮載荷垂直施加于試件，位移加載過程中，加載速度為0.2mm/min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集速率為10個(gè)/s。激光伸長計(jì)（EIR-LE-05）用于測量Nomex蜂窩芯試樣沿加載方向的位移變形，當(dāng)加載至蜂窩芯層進(jìn)入堆疊密實(shí)階段時(shí)，試驗(yàn)即停止，此時(shí)加載位移達(dá)到5mm。

圖1 平壓試驗(yàn)加載示意圖Fig.1 Diagram of test loading under compression load

試驗(yàn)件通過熱壓罐工藝制成[12-13]，上下面板與芯層之間由0.203mm 厚的黏合帶進(jìn)行黏接。上下面板為CYCOM970 復(fù)合材料[14]，面板的鋪層順序?yàn)閇±45/±45/core]s，厚度為0.216mm/層。蜂窩芯層為HRH-10-1/8-3.0，根據(jù)芯層高度對試件進(jìn)行分類，CA6系列試驗(yàn)件的芯層高度為6mm，CA8系列試驗(yàn)件的芯層高度為8mm。蜂窩芯層采用杜邦公司生產(chǎn)的NomexT412芳綸紙制成[15]，其彈性模量為4000MPa，極限強(qiáng)度為90MPa。芯層結(jié)構(gòu)中的蜂窩單壁厚為0.063mm，雙壁厚為0.126mm，其構(gòu)型如圖2（a）和（b）所示。將試驗(yàn)件制備成50mm×50mm的正方形，具體尺寸和鋪層參數(shù)見表 1。在平壓試驗(yàn)中面板與夾具均視為剛體，不考慮其變形與破壞。兩種類型的試驗(yàn)件各4件，其L/W兩個(gè)方向的截面示意如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

觀察試驗(yàn)所獲得的載荷-位移曲線（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，芯層高度6mm和芯層高度8mm的試驗(yàn)件的載荷均是達(dá)到極值點(diǎn)之后，瞬間下降45%左右，但是此時(shí)試件并沒有完全喪失承載能力，芯層慢慢地趨于致密化；在此過程中，載荷隨加載位移的增加呈現(xiàn)小幅度上升趨勢。圖4給出了兩種蜂窩走向的試驗(yàn)件CA8 在試驗(yàn)加載過程中的變形過程，結(jié)合載荷-位移曲線，分為4個(gè)階段對蜂窩單胞的壓潰失效機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析[16]。

2.1 彈性階段

當(dāng)加載范圍在0～0.18mm時(shí)，蜂窩芯層的變形處于線彈性階段，蜂窩胞壁的變形量較小。由載荷-位移曲線（圖3）可見，隨著加載位移的增加，載荷呈線性增大。

2.2 壓潰階段

在0.19～0.5mm范圍內(nèi)加載位移時(shí)，蜂窩胞壁出現(xiàn)了皺曲變形，同時(shí)伴隨Nomex 紙皺折的聲響，這表明蜂窩胞壁發(fā)生了屈曲，屈曲過程中伴隨能量的平衡轉(zhuǎn)變，由變形能轉(zhuǎn)變成聲能，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)已發(fā)生失穩(wěn)。由載荷-位移曲線（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)變形已經(jīng)進(jìn)入非線性階段。當(dāng)位移加載至0.22mm 左右時(shí)，Nomex 紙皺折的聲響加大，蜂窩胞壁單壁厚出現(xiàn)褶皺，載荷在到達(dá)極值點(diǎn)之后快速減小，蜂窩芯層被壓潰。繼續(xù)增大加載位移至0.5mm左右時(shí)，蜂窩褶皺呈堆疊狀態(tài)；觀察載荷位移曲線圖可以看到，在該范圍內(nèi)，隨著加載位移的增大，載荷的變化幅度很小，這表明蜂窩還具有一定的承載能力。

2.3 皺曲階段

蜂窩被壓潰后，隨著載荷的增加，在0.5～3mm的位移加載范圍內(nèi)，蜂窩的變形處于皺曲階段。在該階段，蜂窩并沒有完全喪失承載能力，其內(nèi)部重新調(diào)整受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。蜂窩芯層發(fā)生了整體皺曲變形（圖4），皺折堆疊變形更為明顯，蜂窩胞壁出現(xiàn)了嚴(yán)重的褶皺和折疊。隨著蜂窩胞壁堆疊的逐漸致密，載荷開始呈緩慢上升趨勢。

2.4 密實(shí)階段

圖2 復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件示意圖Fig.2 Schematic diagram of composite honeycomb sandwich structure specimens

通過圖4可以看到，在密實(shí)階段，蜂窩胞壁呈現(xiàn)堆疊狀態(tài)；且隨著載荷的增加，蜂窩胞壁堆疊逐漸達(dá)到致密點(diǎn)，蜂窩載荷-位移曲線呈現(xiàn)上升狀態(tài)（圖3）。當(dāng)位移加載至5mm時(shí)，兩類試件均被壓至破碎致密狀態(tài)，蜂窩芯胞已經(jīng)完全失去了原本的構(gòu)型。

圖3 試驗(yàn)件載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve of specimens

表1 試驗(yàn)件幾何尺寸Table1 Geometric dimensions of specimens

由前述平壓試驗(yàn)得到的Nomex蜂窩結(jié)構(gòu)的載荷-位移（P-u）曲線，可以提取得到線性階段的曲線斜率和極限強(qiáng)度等重要數(shù)據(jù)，進(jìn)而可由式（1）求得平壓強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度。根據(jù)ASTM-C365 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，平壓極限強(qiáng)度的表達(dá)式為：

式中，Pmax為極限載荷；A為試件的橫截面積；平壓剛度的表達(dá)式如下：

式中，ΔP/Δu為載荷-位移曲線線性段的斜率（范圍在25%～50%）；tc為蜂窩芯層高度。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為：

受面外壓縮載荷作用時(shí)，Nomex蜂窩的失穩(wěn)是由蜂窩單壁厚的胞壁局部屈曲引起的，由此導(dǎo)致了蜂窩結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)。由式（1）和（2）可得各試件的Nomex蜂窩芯層的平壓強(qiáng)度和平壓剛度等性能參數(shù)，具體結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5為試驗(yàn)獲得的Nomex蜂窩的平壓強(qiáng)度，對比兩類試件的試驗(yàn)結(jié)果（表2）可知，CA6系列試件的平壓強(qiáng)度平均值為2.147MPa，CA8系列試件的平壓強(qiáng)度平均值為2.098MPa，CA6 試驗(yàn)件比CA8試驗(yàn)件的平壓強(qiáng)度高2.34%，表明6mm高的蜂窩芯層比8mm高的蜂窩芯層的抗失穩(wěn)能力略強(qiáng)；CA6試件的剩余強(qiáng)度平均值為0.981MPa，CA8試件的剩余強(qiáng)度平均值為0.979MPa，兩類試件差距不大。圖6為試驗(yàn)獲得的Nomex蜂窩平壓剛度，CA6系列試件的平壓剛度平均值為128.638MPa，CA8系列試件的平壓剛度平均值為124.033MPa，試件CA6 比CA8 高3.71%，這表明蜂窩芯層高度為6mm時(shí)抗變形能力比8mm時(shí)抗變形能力強(qiáng)。通過載荷-位移曲線圖可知，當(dāng)載荷達(dá)到極值點(diǎn)后，蜂窩單胞處于皺曲屈服狀態(tài)，并逐漸趨于堆疊狀，結(jié)構(gòu)還有一定剩余強(qiáng)度。對比圖7所示平壓載荷下兩類試件的Nomex蜂窩極限強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度可知，CA6系列試件的剩余強(qiáng)度占其極限強(qiáng)度的百分比為45.69%，CA8系列試件的剩余強(qiáng)度占其極限強(qiáng)度的46.66%；這表明在蜂窩壓潰失穩(wěn)后，8mm高的蜂窩芯層的承載能力后屈曲能力強(qiáng)于6mm。根據(jù)式（3）和式（4）進(jìn)行離散系數(shù)分析可知，試驗(yàn)中CA6系列試件平壓強(qiáng)度的離散系數(shù)為11.954%，剩余強(qiáng)度離散系數(shù)為3.596%；CA8系列試件的平壓強(qiáng)度離散系數(shù)為9.491%，剩余強(qiáng)度離散系數(shù)為4.485%；兩類試件試驗(yàn)結(jié)果離散系數(shù)均較小，符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 平壓試驗(yàn)件中蜂窩芯層損傷變形圖Fig.4 Damage and deformation diagram of honeycomb core in flat compression test specimens

圖5 Nomex蜂窩的平壓強(qiáng)度試驗(yàn)值Fig.5 Compressive strength of Nomex honeycomb core（experiment）

圖6 Nomex蜂窩的平壓剛度試驗(yàn)值 Fig.6 Compressive stiffness of Nomex honeycomb core（experiment）

圖7 平壓載荷下Nomex蜂窩極限強(qiáng)度與剩余強(qiáng)度對比Fig.7 Comparison of ultimate strength and residual strength of Nomex honeycomb under compression load

圖8 Nomex蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能性對比Fig.8 Comparison of energy absorption of Nomex honeycomb structure

表2 蜂窩芯層基本能力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果匯總Table2 Summary of Nomex honeycomb basic performance test results

Nomex蜂窩受到面外壓縮載荷作用時(shí)，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了大變形，當(dāng)結(jié)構(gòu)無法吸收更多能量時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形或坍塌。通過對試驗(yàn)所獲得的載荷-位移曲線進(jìn)行積分[17-18]，可獲得用于評估蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的能量吸收性能的參數(shù)，其表達(dá)式為：

圖8為6mm和8mm 芯層高度的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的吸能性對比，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)位移加載至0.2mm 左右時(shí)，曲線出現(xiàn)較大的波動(dòng)，說明蜂窩發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)。隨著載荷的增加，蜂窩胞壁出現(xiàn)大變形，此時(shí)能量吸收速率增大?？梢钥闯鲈嚰﨏A6的吸能速率大于試件CA8的結(jié)構(gòu)，說明蜂窩芯層為6mm 結(jié)構(gòu)的比吸能性強(qiáng)于8mm。

3 結(jié)論

（1）在平壓載荷作用下，Nomex蜂窩單壁厚的胞壁承載能力較弱，單壁厚胞壁首先發(fā)生局部屈曲，隨后與之相鄰的雙壁厚相繼發(fā)生屈曲，進(jìn)而導(dǎo)致蜂窩單胞整體失穩(wěn)。芯層6mm高的Nomex蜂窩平壓強(qiáng)度高于8mm的蜂窩，說明在一定范圍內(nèi)，蜂窩高度越大，抗失穩(wěn)能力越差。

（2）Nomex蜂窩達(dá)到極限載荷后還具有一定的承載能力，6mm高的蜂窩和8mm高的蜂窩的剩余強(qiáng)度分別為各自極限強(qiáng)度的45.69%和46.66%，8mm高的蜂窩的后屈曲承載能力強(qiáng)于6mm。

（3）Nomex蜂窩的壓縮位移-能量吸收關(guān)系表征了蜂窩單位體積的吸收能量速率，6mm高的蜂窩的吸能速率大于蜂窩8mm的吸能速率，改變蜂窩的高度可以有效提高蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能效率。