復合材料蜂窩斜削區在軸壓載荷下的性能分析

潘 雄

（上海飛機設計研究院，上海 200232）

0 引言

復合材料蜂窩夾層結構通常由上下面板、芯材、粘接膠膜組成。由于蜂窩夾層結構具有質量輕、比強度和比剛度高、抗疲勞等優點，而廣泛應用于航空航天領域。蜂窩芯材能增加材料的截面高度，進而增加夾層結構的整體彎曲剛度。但是增加截面高度帶來的一個問題是難以直接與相鄰的結構相連，解決的方法通常是借助使用斜削，從夾芯結構過渡到層壓板結構，如圖1所示。彎矩為Mx，如圖2所示。載荷計算如下：

其中：

te—非蜂窩區層板厚度；

tt、tb—蜂窩區兩面板厚度；

θ—斜坡角度；

R—斜坡拐角半徑；

d—蜂窩區上下面板中性面距離。

圖1 蜂窩結構的連接

圖2 軸壓載荷下蜂窩結構內力圖

相關試驗表明蜂窩斜削區往往是蜂窩夾芯結構受載時的薄弱部位，特別是在軸壓載荷下，受載處承壓板的中性軸與全高度芯層的中性軸之間存在偏心，引起附加的彎矩，造成芯材和面板的破壞或者芯材與面板脫粘。因此斜削區設計的好壞直接影響到整個蜂窩夾層結構性能。本文針對某蜂窩壁板結構的斜削區特性試驗，建立有限元數值分析模型，通過引入Hashin準則和界面內聚力單元對層板破壞和粘接層的失效進行模擬，得到了其在軸壓載荷的損傷特性，為結構的設計分析提供了相關依據和方法。

1 結構受力

蜂窩結構在軸向壓縮載荷Nx作用下，一部分載荷Nb通過外面板傳遞，一部分載荷Nt通過內面板傳遞，由于偏心引起的

2 數值模擬和結果

2.1 模型參數

計算模型尺寸為220mm×100mm，如圖3所示，蜂窩高度為15mm，斜坡角度為20°。面板采用碳纖維環氧樹脂預浸料，蜂窩采用Nomex紙蜂窩。

模型中上面板的鋪層為［（±45）/0/（±45）/0/（0/90）］，下面板的鋪層為［（±45）/02/（±45）/02/（±45）/0/（0/90）/］s，其中鋪層中單向帶單層厚度為0.131mm，織物厚度為0.284mm。

圖3 計算模型尺寸

2.2 有限元模型

有限元模型采用程序Abaqus建立，如圖4所示。上下面板采用S4R殼單元，蜂窩芯采用C3D8R體單元，在面板和芯材之間定義厚度為0.01mm的界面單元。

圖5 破壞形式對比

圖4 有限元模型

2.3 仿真結果

仿真時，在模型的一端施加固支約束，另一端施加位移載荷。根據圖5仿真結果可以看出粘接元在結構斜坡區有失效，說明在斜坡區面板和蜂窩有脫粘，失效形式與失效位置均與試驗結果吻合較好。結構承載能力方面，仿真結果為63.8kN，試驗結果為65.0kN，兩者相差1.85%，吻合較好。

3 結語

通過對某蜂窩壁板結構斜削區在軸向壓縮載荷下的失效特性分析，得到以下結論：（1）在結構受到軸向壓縮載荷時，斜削區會承受附加彎矩，往往會發生面板和芯材脫粘，是結構的薄弱部位，在設計相應結構時要對此部位予以重視。（2）分析結果表明，本文的建模分析方法對蜂窩壁板斜削區的承載能力和結構的失效形式能很好的模擬，為蜂窩斜削區典型細節的設計和分析提供一定的參考，具有一定的工程意義。

［1］I.L.Paris.Characterization ofComposites Sandwich Ramp Failure Under Tensile Loading［J］.Bombardier Aerospace，1998（8）.

［2］韓學群.復合材料層合板分層損傷數值模擬［D］.武漢：武漢理工大學，2010.

［3］C.Kassapoglou，Stress Determination and Core Failure Analysis in Sandwich Rampdown Structures under Bending Loads［J］.Fracture of Composites，1996（7）.