損傷位置對復合材料加筋壁板剪切承載能力的影響

尹俊杰，常 飛，李曙林，楊 哲，石曉朋

（空軍工程大學航空航天工程學院，西安710038）

0 引 言

碳纖維增強環氧樹脂基編織結構復合材料（以下簡稱復合材料）以其密度小、強度高、剛度大的特點，在現代先進飛機上的用量逐漸增加，應用范圍也越來越廣，主要用在飛機機身、機翼、尾翼等結構上。復合材料結構對沖擊損傷比較敏感，即使在較低沖擊能量、結構外表面未留下可視損傷的情況下，也會在其內部產生基體開裂、基體與纖維分離、分層和纖維斷裂等微觀損傷，從而大大降低結構的承載能力，嚴重影響其使用，甚至會直接導致事故的發生。飛機復合材料結構件在制造、運輸和使用過程中都不可避免地會遭受各種外來物的沖擊形成損傷，如跑道碎石、冰雹、飛鳥和不明飛行物等。因此，研究復合材料結構的低速沖擊損傷及剩余強度問題具有重要的理論與實踐意義。

目前，國內外研究者對小尺寸復合材料試樣損傷及損傷后的承載能力進行了研究［1－5］，尚未見損傷對大尺寸、不同損傷部位復合材料加筋壁板剪切承載能力影響的相關文獻。為此，作者通過對含沖擊損傷的大尺寸復合材料加筋壁板進行剪切試驗，得出了損傷位置對復合材料加筋壁板剪切承載能力的影響。

1 試樣制備與試驗方法

某型飛機用復合材料加筋壁板由蒙皮和筋條膠接而成，蒙皮材料為 CF3031／BA，筋條材料為CCF300／BA。試驗用加筋壁板的外形及尺寸如圖1所示。共四件試樣，其中一件為完好試樣（試樣W），三件為損傷試樣（試樣S1，S2，S3），損傷位置分別為蒙皮中心、筋條與蒙皮邊緣和筋條中央，對應圖1中的B、C、D三個位置。試樣編號及其它基本參數見表1。

圖1 試樣外形及尺寸Fig.1 Shape and size of sample

由于自由落體沖擊可以較好地再現諸如維修工具墜落、設備撞擊等的低速沖擊，故采用TANHOR型落錘沖擊試驗臺對復合材料加筋壁板進行沖擊損傷預制，沖擊用半球形鋼制沖頭的直徑為8mm。預制的沖擊損傷要求試樣表面有深1mm的沖擊凹坑。根據對不同位置沖擊能量的摸索，得到合適的沖擊能量，通過調整落錘高度對其進行控制。S1試樣沖擊后的形貌如圖2所示。

采用IUCS－Ⅱ型便攜式數字超聲C掃描系統對沖擊后的加筋壁板進行無損檢測，得到損傷區域的長、寬、損傷面積及凹坑深度。

試驗時每個試樣共裝有174個應變計，編號為1～174，其中，蒙皮上有30個花片（每個花片含3個不同方向的應變計，方向分別為0°、45°和90°），“工”字型筋條的緣條和腹板上有84個單片，應變片粘貼位置如圖3所示。

表1 試樣編號及參數Tab.1 Samples number and parameters

試驗所用夾具及試樣的支持狀態如圖4所示。試樣四邊被夾具上下蓋板用螺栓夾緊，在夾具的對角處施加拉力，根據力的傳遞和轉換原理，所加的力通過螺栓轉換為加筋壁板上的剪切力，由此向壁板施加剪切力。

圖4 試驗夾具及試樣支持狀態Fig.4 Test fixture and support state of sample

采用MTS多通道液壓伺服系統進行加載，加載時，首先以5%的設計載荷為級差加載至65%的設計載荷，然后以2%的設計載荷為級差加載至試樣破壞。加載過程中，用TEST3826型應變測試系統進行應變測量。

2 試驗結果與討論

2.1 損傷位置對剪切承載能力的影響

為了研究沖擊位置對損傷試樣承載能力的影響，首先做出試樣S1、S2、S3、W蒙皮上某個測點正反兩面的應變曲線，如圖5所示，圖中每條曲線編號代表實際的應變計編號，試樣S1、S2、S3、W所選測點分別對應圖3中3、1、4、2這四個對稱位置。試驗現象及試驗結果表明，這四個與試樣中心等距的位置，其屈曲現象均比較明顯，載荷－應變曲線能夠較好地體現試驗過程中試樣狀態的變化。

由圖5可見，四個試樣所選位置的載荷－應變曲線變化趨勢大致相同。當所加載荷較小時，應變花每個方向的應變基本呈線性變化，且45°方向的應變值遠大于其他兩個方向的；當試樣發生屈曲后，應變花每個方向的應變不再線性變化且發生較大偏轉。對比各個試樣從發生屈曲到破壞的載荷變化范圍可知，四個試樣的后屈曲承載能力各不相同，其中，當蒙皮中心受到沖擊損傷后，試樣一旦發生屈曲，很快就會破壞，后屈曲承載能力較差。四個試樣后屈曲承載能力從小到大的順序為試樣S1，S2，S3，W，損傷試樣S1、S2、S3的后屈曲承載能力分別為完好試樣的32.8%，44%，78.9%。四個試樣的失穩載荷與破壞載荷如表2所示。

由表2可見，四個試樣所能承受的失穩載荷、破壞載荷從小到大的順序為試樣S1，S2，S3，W。當加筋壁板受到沖擊損傷后，損傷位置對失穩載荷的影響較大，S1，S2，S3三個損傷試樣失穩載荷之比為0.7∶0.9∶1，分別是完好試樣失穩載荷的62%，80%，88%。同時，損傷位置對破壞載荷的影響也非常大，S1，S2，S3三個損傷試樣破壞載荷之比為0.57∶0.74∶1，分別是完好試樣破壞載荷（總承載能力）的48%，62%，84%。

根據三個損傷位置對加筋壁板剪切承載能力的影響程度，擬合出一條曲線，近似表示當損傷分布在兩筋條之間時加筋壁板的剪切強度沿圖1中y軸的變化情況，如圖6所示。

由圖6可以看出，損傷分布在兩筋條之間，且損傷凹坑深度在1mm左右時，承載能力與距筋條中心的距離近似呈二次拋物線的關系，距筋條中心越遠的地方，受到沖擊損傷后的剪切承載能力越小。

圖5 不同試樣上某點正反面的載荷－應變曲線ig.5 Strain－load curves of front and back sides of a point in different samples：（a）S1sample；（b）S2sample；（c）S3sample and（d）W sample

表2 不同試樣的失穩及破壞載荷Tab.2 Instability and destructive load of different samples

圖6 剪切承載能力－損傷位置曲線Fig.6 Shear carrying capacity vs damage positions

2.2 討 論

對表面同時產生深度為1mm左右的損傷凹坑而言，經驗表明沖擊位置直接決定了筋條對蒙皮支撐的強弱程度。當沖擊發生在蒙皮中心時，由于沖擊點距兩側筋條的距離較遠，筋條對蒙皮的支撐最弱，此時蒙皮的支持狀態近似為簡支，故在較小的沖擊能量下，試樣內部就會產生大面積的基體開裂、基體纖維分離、分層和纖維斷裂等微觀損傷，這些損傷會嚴重影響加筋壁板的剪切強度。當損傷沿圖6中橫坐標80→0或者80→160分布，同時產生1mm左右凹坑時，由于沖擊點距筋條中心距離減小，蒙皮受筋條的支撐作用越來越明顯，試樣內部所產生的微觀損傷變小，所以試樣的承載能力變強。

沖擊損傷所產生的試樣內部微觀損傷程度可由超聲C無損檢測得到的損傷掃描圖面積來體現，損傷掃描圖面積越大，說明內部產生的微觀損傷程度越大，反之則微觀損傷程度越小。

由表1及圖7可知，當損傷發生在蒙皮中央（試樣S1）時，在較小的沖擊能量下，損傷區域的長、寬及面積均較大，表明試樣內部的微觀損傷非常嚴重；隨著損傷位置向筋條中心靠近（試樣S2），并同時增大沖擊能量，損傷區域的長、寬及面積均減小，表明試樣內部的微觀損傷程度減小；當損傷發生在筋條中心（試樣S3）時，沖擊能量最大，但損傷區域的長、寬及面積最小，表明試樣內部的微觀損傷最小。因此可以看出，沖擊位置對損傷面積有很大的影響。

圖7 試樣S1、S2和S3的損傷超聲C掃描圖Fig.7 Injury ultrasound C－scanning maps of samples S1（a），S2（B）and S3（c）

對于該類型的加筋壁板，蒙皮主要承受面內的剪切載荷，筋條主要起穩定蒙皮的作用［6］，這就不難得到三個損傷試樣承載能力從小到大的順序為試樣S1，試樣S2，試樣S3。

3 結 論

（1）表面產生深為1mm左右的凹坑時，沖擊損傷位置對復合材料加筋壁板后屈曲承載能力、總承載能力的影響較大，蒙皮中心、筋條與蒙皮邊緣、筋條中心受到沖擊后，其后屈曲承載能力分別為完好加筋板的32.8%，44%，78.9%，破壞載荷（總承載能力）分別為完好加筋板的48%，62%，84%。

（2）當損傷分布在兩筋條之間、損傷凹坑深度在1mm左右時，加筋壁板的承載能力與沖擊位置距筋條中心的距離近似呈二次拋物線關系，距筋條中心越遠，受到沖擊損傷后的剪切承載能力越小。

［1］汪蘭明，張博平，張小娟.含低速沖擊損傷層壓板的壓縮破壞研究［J］.航空工程進展，2011，2（3）：283－286.

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