濕熱環(huán)境對復(fù)合材料加筋板壓縮性能的影響

馮 宇，何宇廷，邵 青，張 騰

（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038）

0 引 言

纖維增強樹脂基復(fù)合材料（以下簡稱復(fù)合材料）加筋板是航空領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)，服役環(huán)境對復(fù)合材料加筋板的力學(xué)性能影響較大，直接關(guān)系到航空器的使用安全。國內(nèi)外對復(fù)合材料在濕熱環(huán)境中的性能變化有大量研究［1-5］，普遍認為濕熱環(huán)境會引起材料力學(xué)性能的下降。復(fù)合材料加筋板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析一般采用經(jīng)典的線性屈曲理論，很多研究者認為當結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲時，結(jié)構(gòu)從平衡狀態(tài)發(fā)生突變，隨之變形無限大而喪失承載能力［6-9］；而實際情況是結(jié)構(gòu)在發(fā)生屈曲以后并沒有完全破壞，仍舊具有很大的承載能力，即有一定的后屈曲強度［10］。目前，有關(guān)濕熱環(huán)境對復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)壓縮性能影響的研究較少。為此，作者通過復(fù)合材料濕熱試驗和壓縮試驗，研究了濕熱環(huán)境對復(fù)合材料壓縮性能的影響，希望為該復(fù)合材料在航空工程中的應(yīng)用提供有益參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為由蒙皮和筋條組成的纖維增強樹脂基復(fù)合材料加筋板，筋條間距為150mm，長桁截面為工字型（上寬30mm，下寬60mm，高40mm），蒙皮材料和筋條材料為單向帶5228A/CCFXXX，單層厚度為0.125mm，蒙皮鋪層方式為［45/45/0/0/0/-45/90/45/45/0/0/0/-45/90］s，厚3.5mm，筋條鋪層方式為［0/0/45/0/0/-45/90/45/0/0/-45］s。試樣尺寸為600mm×820mm，兩端適當延長，端部進行灌膠處理，作為其加載段，如圖1所示。試樣一共4件，其中2件試樣濕熱吸濕后進行壓縮試驗，編號為環(huán)境壓縮-1、環(huán)境壓縮-2；另2件試樣直接進行壓縮試驗，編號壓縮-1、壓縮-2。

圖1 加筋板試樣示意Fig.1 Sketch of stiffened panel

1.2 試驗方法

首先在烘干機內(nèi)將試樣完全烘干，然后置于環(huán)境箱里在70℃恒溫水浴的濕熱環(huán)境下達到吸濕平衡（即試樣質(zhì)量不再增加）。在試樣上典型位置粘貼應(yīng)變片，筋條面101個，蒙皮面53個，粘貼位置和編號如圖2，3所示。壓縮試驗在 WAW-3000B型結(jié)構(gòu)試驗平臺上進行，試樣一邊固定，一邊加載，試驗裝置示意見圖4，試驗采取分級加載的方式，每級載荷為2kN，每級加載結(jié)束后采集應(yīng)變值。壓縮過程中的應(yīng)變值測試使用SDY2206型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。另外，吸濕后試樣的壓縮試驗在75℃，90%相對濕度的環(huán)境箱中進行。

圖2 筋條面應(yīng)變片編號Fig.2 Number of strain gages on stiffener plane

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 普通加筋板的壓縮性能

圖3 蒙皮面應(yīng)變片編號Fig.3 Number of strain gages on skin plane

圖4 試驗裝置示意Fig.4 Sketch of experiment method

壓縮過程中，當加載至450kN時，普通加筋板試樣（以壓縮-1試樣為例）內(nèi)部開始發(fā)出輕微的響聲；當載荷增加載至550kN時，試樣出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；加載至860kN時，試樣發(fā)出的響聲增大，持續(xù)30s后仍能繼續(xù)承載；當加載至960kN時，試樣突然發(fā)出巨大的響聲，筋條與蒙皮隨即開裂，一側(cè)夾持板被震脫開，試樣發(fā)生破壞，不能繼續(xù)承載，破壞形式如圖5所示，主要是蒙皮撕裂和筋條的斷裂。

取普通加筋板中間截面蒙皮上所有應(yīng)變片的應(yīng)變值繪出載荷-應(yīng)變曲線，如圖6所示。從圖6可見，在加載前期載荷-應(yīng)變曲線呈線性增加，當載荷在550kN時載荷-位移曲線出現(xiàn)了分叉，說明此時加筋板的剛度發(fā)生了變化，出現(xiàn)了失穩(wěn)情況，失穩(wěn)形式主要是蒙皮的局部失穩(wěn)；隨著載荷不斷增加，失穩(wěn)現(xiàn)象愈加嚴重，當加載到960kN時，筋條出現(xiàn)斷裂和脫粘，加筋板迅速垮塌，結(jié)構(gòu)破壞。從表1可見，普通加筋板的平均破壞載荷968.25kN是平均屈曲載荷（579kN）的1.69倍，說明此加筋板有較強的后屈曲承載能力。

2.2 吸濕后加筋板的壓縮性能

在壓縮試驗過程中，環(huán)境壓縮-1試樣在載荷增加至350kN時開始出現(xiàn)輕微纖維斷裂聲，加載至500kN時發(fā)出較大的響聲，加載至780kN時陸續(xù)發(fā)出纖維斷裂聲音，加載至839.35kN試樣發(fā)生破壞，4根筋條在中間偏上位置斷裂，蒙皮撕裂，破壞時一側(cè)邊夾板震落。環(huán)境壓縮-2試樣在載荷增加至300kN時開始發(fā)出輕微纖維斷裂聲，加載至550kN時響聲增大，加載至720kN時發(fā)出連續(xù)的纖維斷裂聲，加載至739.77kN時試樣發(fā)生破壞，并伴隨巨大響聲，4根筋條在中間偏上位置斷裂，蒙皮撕裂。吸濕后加筋板的破壞形貌如圖7所示，也以蒙皮撕裂和筋條的斷裂為主。

圖5 普通加筋板的壓縮破壞形式Fig.5 Compress failure modes of common stiffened panels：（a）stiffener fracture and（b）skin tearing

圖6 普通加筋板不同位置的載荷-應(yīng)變曲線Fig.6 Load-strain curves of common stiffened panels in different locations

表1 普通加筋板屈曲載荷和破壞載荷Tab.1 The buckling load and failure load of common stiffened panels kN

圖7 吸濕后加筋板的壓縮破壞形式Fig.7 Compression of failure modes of the stiffened panels after adsorbing moisture：（a）stiffener fracture and（b）skin tearing

取試樣中間截面蒙皮上所有應(yīng)變片的應(yīng)變值繪出載荷-應(yīng)變曲線，如圖8所示。從圖中可以看出，載荷-應(yīng)變曲線在加載前期是線性的，在550kN左右載荷-應(yīng)變曲線出現(xiàn)分叉，說明此時加筋板的剛度改變，出現(xiàn)了失穩(wěn)。當加載載荷達到739kN時，筋條出現(xiàn)脫粘與斷裂，加筋板迅速破壞。從表2可見，吸濕后加筋板的平均破壞載荷（782.1kN）是平均屈曲載荷（525kN）的1.49倍，相比普通加筋板其后屈曲承載能力下降了11.8%。

圖8 吸濕后加筋板不同位置的載荷-應(yīng)變曲線Fig.8 Load-strain curves of the stiffened panels after adsorbing moisture in different locations

表2 吸濕后加筋板的屈曲載荷和破壞載荷Tab.2 The buckling load and failure load of the stiffened panels after adsorbing moisture kN

比較普通加筋板和吸濕后加筋板的屈曲載荷和破壞載荷可知，濕熱環(huán)境吸濕對復(fù)合材料加筋板的屈曲載荷影響并不顯著，吸濕后加筋板的平均屈曲載荷是普通加筋板的91.6%，僅下降了8.4%；而它對破壞載荷影響較大，吸濕后加筋板的平均破壞載荷是普通加筋板的80.8%，下將了19.2%。

3 結(jié) 論

（1）復(fù)合材料加筋板在壓縮載荷作用下失穩(wěn)的形式主要表現(xiàn)為筋條間蒙皮的屈曲；破壞形式主要是筋條的脫膠、斷裂和蒙皮的撕裂；筋條起主要承載能力，筋條的破壞會使試樣承載能力迅速降低。

（2）濕熱吸濕后的加筋板在壓縮載荷作用下仍存在后屈曲過程，但濕熱吸濕使加筋板的屈曲載荷下降了8.4%，破壞載荷下降了19.2%。

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