何 勇，毛青松，凡 玉，王新年

(中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程技術(shù)中心，西安 710089)

0 引言

復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用越來越廣。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大，結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)[1]，重量輕等特點(diǎn)，能有效地減輕結(jié)構(gòu)重量[2-3]，提高結(jié)構(gòu)效率；同時(shí)復(fù)合材料具有良好的抗腐蝕性能和抗疲勞性能，能降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本。

為解決熱壓罐成型工藝的高成本問題，國外設(shè)計(jì)了預(yù)成型體/復(fù)合材料液體成型工藝，且已廣泛地應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。VARI成型工藝是目前國外應(yīng)用較多的一種液體成型工藝，已經(jīng)在A380襟翼滑軌支架、A400M后貨艙門、A350球面框、C17主起艙門、B787襟翼和副翼、MRJ飛機(jī)垂直安定面等結(jié)構(gòu)上得到成功應(yīng)用[4]。VARI工藝也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料制備中，具有易于控制構(gòu)件整體性能、一體成型、工藝周期短、所需真空壓力低、設(shè)備及工藝成本低、污染小等優(yōu)點(diǎn)。但VARI成型工藝對(duì)樹脂、碳纖維織物的可靠性和穩(wěn)定性等均具有較高的要求[5]。

某民用飛機(jī)作為國內(nèi)研制的一種新型支線客機(jī)，要求有較好的經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性。為了提高這一民用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性并減輕結(jié)構(gòu)重量，根據(jù)國外的使用經(jīng)驗(yàn)，在這一民用飛機(jī)次承力件上使用VARI技術(shù)。考慮國內(nèi)的VARI制造工藝經(jīng)驗(yàn)、復(fù)合材料適航取證[6-8]、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及研制進(jìn)度等因素，擬在部分次承力件上采用VARI成型工藝，確定結(jié)構(gòu)連接部位的基本承載能力、制造缺陷對(duì)承載能力的影響、預(yù)埋件應(yīng)用及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造工藝，為今后開展復(fù)合材料低成本制造技術(shù)和復(fù)合材料整體成型技術(shù)做好技術(shù)儲(chǔ)備。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中采用電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)、高溫濕熱試驗(yàn)箱、恒溫恒濕試驗(yàn)箱等設(shè)備，試驗(yàn)設(shè)備和儀器精度如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備和儀器精度

1.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

本體結(jié)構(gòu)采用全高度泡沫夾層，連接接頭部位預(yù)埋鑲嵌件，材料選用碳纖維G0926緞紋布，樹脂為RTM6-2，采用聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)閉孔剛性泡沫。

根據(jù)復(fù)合材料部件可能采用的螺栓連接形式，試驗(yàn)件選取主起落架艙門與鉸鏈接頭部位、擾流板與鉸鏈接頭部位，主起落架艙門和鉸鏈接頭的連接如圖1所示，擾流板和鉸鏈接頭的連接如圖2所示，根據(jù)連接形式和受力特點(diǎn)，試驗(yàn)件采用平板試件模擬部件受力情況。對(duì)于部分試件引入制造缺陷，以評(píng)估缺陷對(duì)承載能力的影響，以便在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加以考慮。夾層結(jié)構(gòu)連接試驗(yàn)選取擾流板與鉸鏈接頭連接部位，夾層結(jié)構(gòu)螺栓連接試驗(yàn)項(xiàng)目如表2所示。

表2 夾層結(jié)構(gòu)螺栓連接試驗(yàn)項(xiàng)目

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)過程中記錄載荷-位移曲線，典型的載荷-位移曲線如圖3所示。從載荷-位移曲線上選取以下載荷點(diǎn)來表征夾層結(jié)構(gòu)剪切、緊固件拉脫試驗(yàn)件的性能：

圖3 典型的載荷-位移曲線

破壞載荷Pf：在載荷第一次下降10%以前的曲線上的第一個(gè)峰值載荷；

最大載荷Pm：載荷-位移曲線上的載荷最大值；

初始臨界失效載荷Pi：載荷-位移曲線上載荷第一次發(fā)生下降或者斜率發(fā)生變化時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷。

2.1 試件比較

夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)件形狀為矩形，面板鋪層初步確定為[(±45)/(0/90)2/(±45)] [a/b2/c]，厚度為1.48 mm；加厚區(qū)鋪層初步確定為{[(±45)/(0/90)2/(±45)2/(0/90)2/(±45)]/(0/90)2/(±45)}，厚度為4.07 mm。預(yù)埋件分別為層壓玻璃板和鈦合金襯套。剪切試驗(yàn)件示意圖見圖4，剪切試驗(yàn)件尺寸見表3。

圖4 剪切試驗(yàn)件示意圖

表3 剪切試驗(yàn)件尺寸

2.2 試驗(yàn)加載

2.2.1 剪切試驗(yàn)

夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)在±400 kN試驗(yàn)機(jī)上完成。夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)值見表4。

表4 夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)值

續(xù)表4

試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)件及夾具對(duì)中夾持在試驗(yàn)機(jī)上，使加載中心通過試驗(yàn)件中軸線，以εmm/min的恒定速度對(duì)試驗(yàn)件加載，連續(xù)采集試驗(yàn)件的載荷-位移數(shù)據(jù)，持續(xù)加載直到試驗(yàn)件破壞，并記錄試件的破壞載荷、載荷-位移曲線和破壞模式。夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)件加載示意圖見圖5。

(1)層壓板鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)。對(duì)層壓板鑲嵌夾層時(shí)添加脫粘缺陷，結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)的初始臨界失效載荷和破壞載荷均沒有影響層壓板鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)，剪切試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果柱狀圖如圖6所示，脫粘缺陷對(duì)層壓板鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)的初始臨界失效載荷和破壞載荷均沒有影響。

層壓板鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)的典型破壞模式如圖7所示。其破壞模式主要有兩種：一種為孔附近的復(fù)合材料板局部屈曲圖如圖7(a)，另一種為孔附近的復(fù)合材料板局部屈曲，螺栓頭剪壞如圖7(b)。試驗(yàn)過程中觀測到的試驗(yàn)歷程為：當(dāng)載荷增大到一定值后，夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料板在孔附近發(fā)生局部屈曲，載荷-位移曲線的斜率開始變化；隨著載荷的增加，孔附近板材的屈曲程度越來越嚴(yán)重，載荷-位移曲線的斜率不斷降低；當(dāng)載荷增大到最大值后，載荷下降，此后載荷保持在一定范圍內(nèi)不斷波動(dòng)；當(dāng)位移增大到一定程度后，螺釘破壞。

(a) (b)

由層壓板鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)的歷程可以看出，為了使結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力，螺栓必須具有較高的強(qiáng)度以保證在夾層結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)部破壞以后才能出現(xiàn)螺栓破壞，否則將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力下降。

層壓板鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)的載荷-位移曲線如圖8所示。曲線上的初始部分存在一段非線性曲線，該部分由試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)件之間安裝間隙所導(dǎo)致，當(dāng)載荷增大到一定程度，間隙消除，載荷-位移曲線進(jìn)入直線段。此后當(dāng)孔附近的復(fù)合材料板發(fā)生明顯屈曲時(shí)，載荷位移曲線斜率發(fā)生改變，對(duì)應(yīng)的載荷為初始臨界失效載荷。當(dāng)屈曲達(dá)到一定程度后，結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)部破壞，此時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷為破壞載荷。此后復(fù)合材料板屈曲程度、孔變形和螺栓變形不斷增大，但載荷基本保持不變，載荷-位移曲線出現(xiàn)平臺(tái)。當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，螺栓發(fā)生破壞，載荷突降，夾層結(jié)構(gòu)基本失去承載能力。載荷-位移曲線的平臺(tái)段存在一個(gè)載荷的突然變化，該位置實(shí)際對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)過程中引伸計(jì)的摘除，引伸計(jì)位置照片如圖9所示。

(2)襯套鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)。未預(yù)埋缺陷試驗(yàn)柱狀圖如圖10所示，預(yù)埋脫粘剪切試驗(yàn)柱狀圖如圖11所示(圖中B構(gòu)型為鋁制襯套構(gòu)型，C構(gòu)型為鋼制襯套構(gòu)型)。由圖10和圖11可以看出：C構(gòu)型比B構(gòu)型具有更高的抗剪切承載能力。為了進(jìn)一步分析脫粘的影響，將圖10和圖11聯(lián)合，繪制出脫粘分析柱狀圖如圖12所示。由圖12可見，預(yù)埋脫粘對(duì)結(jié)構(gòu)的初始臨界失效載荷和破壞載荷均沒有影響。剪切試驗(yàn)件破壞模式照片如圖13所示，圖13(a)為試驗(yàn)件正面，圖13(b)為試驗(yàn)件背面?？梢钥闯觯浩淦茐哪Ｊ饺繛橐r套剪拉脫。三個(gè)襯套剪拉脫的變形量沿金屬板端頭開始逐漸降低，與此對(duì)應(yīng)的金屬板各處的翹曲撓度也逐漸降低，且三個(gè)襯套均發(fā)生了傾斜。對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)件，其形心并未在金屬板所在的夾層結(jié)構(gòu)下表面上，當(dāng)向試驗(yàn)件施加剪切載荷時(shí)，雖然剪切載荷通過需要考核的剪切面，但由于剪切載荷并不通過整個(gè)試驗(yàn)件的形心，因此存在偏心扭矩。由于金屬板施加給襯套的力既包括垂直于夾層板表面的拉脫載荷，也包括平行于夾層結(jié)構(gòu)的剪切載荷，因此試驗(yàn)中襯套會(huì)發(fā)生傾斜。

試驗(yàn)歷程：試驗(yàn)機(jī)向試驗(yàn)件逐步施加剪切載荷，當(dāng)載荷增大到一定程度后，試驗(yàn)件上金屬板逐漸發(fā)生翹曲；隨著金屬板翹曲程度的增加和試驗(yàn)機(jī)剪切載荷的增加，在拉伸和剪切載荷共同作用下襯套逐漸被金屬板剪拉脫，其中金屬板端頭處的襯套首先被剪拉脫，離金屬板端頭最遠(yuǎn)處的襯套最后被剪拉脫。由圖13可知，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料板均沒有觀測到目視可見的屈曲。

襯套鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)的載荷-位移曲線如圖14所示。曲線上的初始部分存在一段非線性曲線，當(dāng)載荷增大到一定程度，間隙消除，載荷-位移曲線進(jìn)入直線段，此后當(dāng)載荷增大到一定程度，金屬板發(fā)生明顯目視可見的翹曲，位于金屬板端頭處的襯套處于臨界被剪拉脫的狀態(tài)，此處對(duì)應(yīng)的載荷為初始臨界失效載荷。此外由圖14還可以看出，當(dāng)達(dá)到最大載荷時(shí)，試驗(yàn)件已經(jīng)破壞且存在很大的塑性變形。層壓板鑲嵌和襯套鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)的剪切承載能力對(duì)比柱狀圖如圖15所示，由圖15可以看出層壓板鑲嵌的剪切承載能力明顯高于襯套鑲嵌。

2.2.2 拉脫試驗(yàn)

夾層結(jié)構(gòu)緊固件拉脫試驗(yàn)在室溫干態(tài)±150 kN試驗(yàn)機(jī)上完成。夾層結(jié)構(gòu)緊固件拉脫試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)值見表5。

試驗(yàn)時(shí)將裝配好的夾具對(duì)中夾持在試驗(yàn)機(jī)夾頭中，以εmm/min的加載速度施加拉伸載荷，直到達(dá)到最大載荷，然后下降為最大載荷的70%為止，記錄試驗(yàn)件的破壞模式。拉脫試驗(yàn)狀態(tài)照片如圖16所示。

層壓板鑲嵌和襯套鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)的拉脫承載能力對(duì)比柱狀圖如圖17所示，可以看出層壓板鑲嵌的拉脫承載能力明顯高于襯套鑲嵌。拉脫試驗(yàn)件破壞模式照片如圖18所示，層壓板鑲嵌的夾層結(jié)構(gòu)其緊固件拉脫試驗(yàn)的破壞模式為復(fù)合材料板孔頂部拉脫，而襯套鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)的破壞模式為襯套拉脫。

襯套鑲嵌緊固件拉脫試驗(yàn)柱狀圖如圖19所示(E構(gòu)型為鋁制襯套構(gòu)型，F(xiàn)構(gòu)型為鋼制襯套構(gòu)型)，可以看出：無論E構(gòu)型還是F構(gòu)型，高溫濕態(tài)條件下的初始臨界失效載荷和破壞載荷均比室溫干態(tài)下低；E和F兩種構(gòu)型在高溫濕態(tài)和室溫干態(tài)條件下，其初始臨界失效載荷和破壞載荷互有高低，因此根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果無法判定哪種構(gòu)型的拉脫承載能力更高。

3 結(jié)論

分析試驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)分層缺陷不會(huì)引起夾層結(jié)構(gòu)單搭接剪切破壞載荷的降低，層合板鑲嵌的剪切承載能力和拉脫承載能力明顯高于襯套鑲嵌；

(2)脫粘對(duì)夾層板鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)的初始臨界失效載荷和破壞載荷均沒有影響；

(3)為了使層合板鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力，螺栓必須具有較高的強(qiáng)度以保證在夾層結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)部破壞以后才出現(xiàn)螺栓破壞；

(4)C構(gòu)型的襯套鑲嵌夾層結(jié)構(gòu)比B構(gòu)型具有更高的抗剪切承載能力；

(5)B構(gòu)型和C構(gòu)型，預(yù)埋脫粘對(duì)結(jié)構(gòu)的初始臨界失效載荷和破壞載荷均沒有影響；

(6)E和F兩種構(gòu)型在高溫濕態(tài)和室溫干態(tài)條件下，其初始臨界失效載荷和破壞載荷互有高低。

通過以上試驗(yàn)研究，參照CCAR-25R4、MIL-HDBK-17F和咨詢通報(bào)AC20-107B相關(guān)要求，確定出與結(jié)構(gòu)構(gòu)型相關(guān)的設(shè)計(jì)值及連接部位的基本承載能力，得出制造異常對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)考核了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造工藝，對(duì)確定后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及缺陷拒收標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支持。