李 巍，屈孫濤

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

復合材料縫合技術(shù)是指采用縫合線使多層織物結(jié)合成準三維立體織物或使分離的數(shù)片織物連接成整體結(jié)構(gòu)的一種復合材料預制體制備技術(shù)。該技術(shù)因可以提高復合材料層間損傷容限，大大改善復合材料抗沖擊性能而備受關(guān)注，近年來得到了廣泛應用[1]，復合材料升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板中常采用這種縫合技術(shù)。

為了研究縫合對泡沫夾層板剪切性能的影響，進行了一些相關(guān)的研究。許多學者發(fā)現(xiàn)，復合材料縫合層合板的剪切強度隨著縫合密度的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，這是由于縫合密度過大時，纖維損傷和縫線處富脂導致應力集中明顯，使得層合板的剪切強度反而有所降低?？p合密度最優(yōu)值的焦點取決于層合板的鋪層順序以及縫合參數(shù)[1，2]?？p合能夠顯著提高層合板的Ⅰ型層間斷裂韌性值，增加縫合密度，縫線強度，降低縫線的楊氏模量，增加試件的厚度及軸向剛度，均可提高試件的Ⅱ型層間斷裂韌性值?？p合能夠明顯降低復合材料層合板的沖擊損傷，提高層合板的沖擊后壓縮強度(CAI)。許多試驗表明，合理設計縫合參數(shù)可以使層合板的CAI提高40%以上，甚至可達到400%[3-5]。

本文截取出復合材料升降舵壁板典型段進行縫合的泡沫芯子剪切試驗。本試驗的目的是通過測量泡沫夾芯層板的剪切強度和剪切模量，來驗證縫合對夾層結(jié)構(gòu)壁板剪切性能的影響。

2 材料與試驗

2.1 試驗材料

試驗件按縫合方式分為A、B、C三組，如表1所示。縫合的針距×行距為10mm×10mm，縫線材料為Kevlar 29。試驗件尺寸如圖1所示。

表1 試驗件分組

圖1 試驗件簡圖

2.2 試驗裝置及方法

泡沫夾芯層板的試驗夾具及試驗裝置如圖2所示。用砂布打毛試樣兩表面及加載塊金屬板的膠粘面，使用溶劑擦干凈待粘接表面后，用膠粘劑把試樣粘接在兩加載金屬板之間。膠接固化溫度為室溫。將試件安裝在拉剪夾具上，然后將試件和夾具安裝在試驗機上。調(diào)整試驗機載荷零點，再夾緊下夾具。試驗機的移動夾頭以不變的移動速度施加載荷，且在3min～6min內(nèi)達到最大載荷。推薦的加載速度為0.5mm/min。

1、6-拉伸夾具；2、7-加載金屬板；3-試樣；4、8-測變形附件；5、9-變形計圖2 試驗裝置

2.3 試驗計算方法

極限剪切應力用式(1)計算：

(1)

式中，τ為芯子極限剪切應力；Pmax為破壞前的最大載荷；l為試驗件長度；b為試驗件寬度。

用式(2)計算有效工程剪切應變：

(2)

式中，γ為芯子工程剪切應變；u為加載板之間的瞬時位移；t為試件厚度。

用式(3)計算芯子剪切模量：

(3)

式中，G為芯子剪切模量；Δu為加載板之間的位移變化；ΔP為加載試件上的載荷變化；l為試驗件長度；b為試驗件寬度。

試驗數(shù)據(jù)按照《聚合物基復合材料力學性能數(shù)據(jù)表達準則》(HB 7618-2013)和中國飛機強度研究所等出版的《復合材料手冊》技術(shù)規(guī)范的規(guī)定進行統(tǒng)計處理。

3 試驗結(jié)果及分析

表2給出了升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板芯子剪切性能試驗結(jié)果匯總。

表2 升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板芯子剪切試驗結(jié)果

升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板芯子剪切性能試驗中，改進的鎖式縫合B組試驗件的極限剪切強度比不縫合的A組試驗件的極限剪切強度高8.03%，比tufting縫合的C組試驗件的極限剪切強度高6.48%。改進的鎖式縫合B組試驗件的芯子剪切模量比不縫合的A組試驗件的芯子剪切模量高43.3%，tufting縫合的C組試驗件的芯子剪切模量比不縫合的A組試驗件的芯子剪切模量高107.4%。

升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板芯子剪切性能試驗中，不縫合的A組試驗件的破壞模式為芯子出現(xiàn)小裂紋，被拉壞，如圖3所示；改進的鎖式縫合B組試驗件的破壞模式為芯子被拉斷，如圖4所示；tufting縫合的C組試驗件的破壞模式為芯子出現(xiàn)大裂紋且被拉壞，如圖5所示。

圖3 不縫合試驗件的破壞模式

圖4 改進的鎖式縫合試驗件的破壞模式

圖5 tufting縫合試驗件的破壞模式

4 結(jié) 論

本文選擇了3組試驗件，研究縫合對泡沫夾層板剪切性能的影響。從試驗結(jié)果可以得到以下結(jié)論：適當優(yōu)化縫合密度可以提高材料的剪切性能；相比不縫合情況和tufting縫合情況，改進的鎖式縫合試驗件剪切性能更優(yōu)異。