外面板加強鋪層對蜂窩夾層結構力學性能的影響

趙軍峰，張 橋

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

外面板加強鋪層對蜂窩夾層結構力學性能的影響

趙軍峰，張 橋

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

以試驗為基礎，結合理論分析與有限元仿真結果，研究了外面板加強鋪層尺寸對蜂窩夾層結構力學行為和承載能力的影響，探究了蜂窩夾層結構試驗件在壓縮和拉伸載荷作用下的失效模式，進一步探討了外面板加強鋪層尺寸對其失效模式的影響，給出了外面板加強鋪層對結構承載力的影響關系，為含缺陷蜂窩夾層結構的工程使用與修理提供參考。

蜂窩夾層結構；缺陷；力學性能

0 引言

蜂窩夾層結構作為高比強度、比剛度和高抗疲勞性能的新型材料，在航空航天等領域得到了廣泛應用。譬如，空客公司發布的全復合材料直升機H160，其主要框、梁和整流罩都大量采用蜂窩夾層結構。

蜂窩夾層結構通常由兩層或多層面板(或稱蒙皮)中間夾以蜂窩組件制成，蒙皮主要傳遞剪切載荷，蜂窩主要增加抗彎剛度。蒙皮與蜂窩之間通過二次固化或共固化成整體結構。蜂窩夾層結構制作工藝復雜，產品質量的制約因素多，其制造過程中極易產生缺陷。

由于蜂窩夾層結構的制造凝聚了很高的勞動價值，因此，結構的可利用性受到廣泛關注。對含缺陷蜂窩夾層結構力學性能的評估和修理后結構的承載能力研究受到了國內外學者的廣泛關注。其中，夏明凱[1]等研究了蜂窩芯脫粘對蜂窩夾層板側壓強度的影響。趙鵬成[2]結合理論分析與試驗方法研究了含缺陷蜂窩夾層結構的穩定性、靜承載能力和抗沖擊性能。孔祥皓、楊凱[3,4]等人研究了含不同類型缺陷蜂窩夾層件的破壞模式和性能曲線。鄒靜[5]等人探究了含缺陷蜂窩夾層結構的驗收準則。對于缺陷尺寸或程度較小且滿足強度要求的含缺陷結構，工程上在明確其力學性能后視情況允許使用。而對于大多數導致結構承載能力嚴重降低的缺陷，通常需要經過修理后才能投入使用。

本文以試驗為基礎，研究蜂窩夾層結構外面板加強鋪層對結構力學性能的影響，為工程上此類缺陷的修理和使用性能評估提供參考。

1 試驗

1.1試驗件

在蜂窩夾層結構鋪層時，通常采用先鋪外面板、再鋪蜂窩、最后再鋪內面板的方法。鋪設內面板之前，需要進行蜂窩倒角區切削，如果切削過渡或者切削擠壓載荷過大導致蜂窩倒角區向內滑移，則會使得外面板的加強鋪層在蜂窩上的搭接長度不足。為了探究這種搭接尺寸變化對蜂窩夾層結構力學性能造成的影響，本文制定了如圖1所示的試驗件，試驗件的鋪層信息如表1所示，蜂窩高度為10mm。其中，鋪層1-2a和1-8a為加強鋪層。在正常鋪層下，外面板加強鋪層在蜂窩上的最小搭接長度為30mm。

當外面板搭接長度不足時，最小搭接量則為10mm，缺陷試驗件如圖2所示。

對搭接長度L=10mm的缺陷試驗件，對其缺陷區域進行局部修理。修理時考慮不同的修理狀態(完全修理和修理后含缺陷兩種情況)，具體修理方法如圖3所示。

表1 鋪層信息

本文共使用合格件、缺陷件、完全修理件、含修理缺陷件4種狀態試驗件各12件進行試驗，其中拉伸試驗與壓縮試驗各6件。

1.2試驗過程

試驗件表面共粘貼3處應變片，其中應變片1、2分別位于外、內面板中心處，應變片3位于修理區中點，如圖4所示。試驗過程中試驗件的載荷變化通過應變片進行監控。

試驗在室溫常態下進行，試驗夾具與試驗件之間通過螺栓連接，試驗采用修理區一側固定，另一側均勻施加拉伸或壓縮載荷的形式加載。試驗載荷逐級施加，其中壓縮載荷在載荷值小于20kN以前按2kN一級、0.4kN/s的加載速率進行加載；大于20KN以后按1kN一級、0.2kN/s的加載速率進行加載。拉伸載荷小于60kN以前按5kN一級、0.5kN/s的加載速率進行加載，60kN以后按1kN一級、0.2kN/s的加載速率進行加載，直至試驗件破壞，記錄試驗件的應變歷程值及破壞載荷。

2 試驗結果及分析

依次對合格件、超差件、完全修理件以及不完全修理件開展壓縮和拉伸試驗，對試驗結果進行分析。

2.1壓縮狀態

壓縮試驗試驗件破壞后的典型狀態如圖5所示。

從圖5(a)-(d)可以看出，在壓縮載荷作用下，試驗件的破壞形態主要表現為外面板失穩。失穩形式為垂直于載荷加載方向，沿著試驗件的寬度方向穿透整個試驗件。

當蜂窩夾層結構試驗件承受壓縮載荷時，受結構截面特征的影響，其彎曲形心位于幾何中心，而蜂窩夾層結構的載荷作用線通常位于外面板面內，因此，壓縮載荷會對試驗件產生附加彎矩。在該附加彎矩的作用下，隨著載荷的逐級施加，內面板上的載荷由最初的壓縮載荷逐漸轉變為拉伸載荷。如圖6所示，所施加的壓縮外載荷主要通過外面板傳遞，從而外面板的穩定性成為結構破壞的主要控制因素。

對于有限寬度的試驗件，當面板發生局部失穩時，其失穩分層沿著結構的寬度方向擴展到兩側，構成了穿透板寬的一維屈曲問題，因此，其外面板的穩定性可以簡化為Eular問題進行處理[2]，Eular公式如式(1)所示：

其中：E11為子層板在受壓方向的軸向模量；h為夾層板的厚度；h1為面板的厚度；2a是面板沿壓縮方向的長度。

從試驗結果(圖7)也可以看出，當蜂窩結構承受壓縮載荷時，外面板加強區的長度和強度對蜂窩夾層結構整體的壓縮性能有影響。隨著外面板加強區的加強，試驗件承受壓縮載荷的能力有所增強。

對于圖7所示的試驗結果，根據Eular公式，當外面板加強區長度變小時，外面板的支撐強度減弱，外面板壓縮方向的長度值a增大，從而屈曲載荷Pcr降低，相同載荷下的變形加大，穩定性隨之減弱。反之，對于修理后的蜂窩夾層結構，由于對外面板進行了局部補強，因此外面板壓縮方向的長度值a值變小，穩定性隨之加強，如圖8所示。

圖8計算了外面板加強區長度不同時試驗件的整體變形情況，結果顯示：在相同的外載作用下，外面板加強區長度分別為L=10mm、20mm、30mm時，隨著外面板加強鋪層長度的增加，試驗件的穩定性也有一定程度的提升。

2.2拉伸狀態

拉伸試驗后試驗件破壞的典型狀態如圖9所示。

從拉伸試驗件的典型破壞狀態可以看出，試件的主要破壞形式為蜂窩內面板的倒角處撕裂，如圖9所示。

根據各試驗件的最終破壞載荷(見圖10)，外面板加強區的修復與否對試驗件的拉伸力學性能并未產生明顯的影響。

根據對應變的監測結果，隨著拉伸外載的逐級加載，各測點的應變值隨之增加。值得注意的是，試驗件內面板應變(測點2)值的增長速率隨著載荷的加載逐漸增大，當施加載荷增加到約20kN后，內面板應變值的增長速率大于外面板(測點1和3)。當試驗件發生最終破壞時，內面板應變值明顯高于外面板，如圖11所示。因此，對于本文鋪層形式的蜂窩夾層結構，外面板加強區缺陷與局部修復對試驗件的拉伸性能影響不明顯，試驗件的拉伸力學性能主要取決于內面板的強度。

3 結論

根據試驗結果，得到如下結論：

1)當試驗件承受壓縮載荷時，其主要破壞形式為外面板失穩。對外面板加強區域的局部修理補強使得外面板的穩定性有所提高，從而試驗件承受壓縮載荷的能力也有所提高。

2)當試驗件承受拉伸載荷時，其主要破壞形式為內面板倒角處撕裂。隨著載荷的逐級施加，內面板應變的增長速率高于外面板，外面板加強區域的局部修理補強對試驗件的整體承載能力的影響不明顯。

[1] 夏明凱.芯子缺失對蜂窩板側壓力學性能的影響研究[J].工程與材料科學,2013(06)：74-79.

[2] 趙鵬成.含缺陷復合材料蜂窩夾層結構力學性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學碩士學位論文,2009.

[3] 孔祥皓,赫曉東.帶有典型缺陷的金屬蜂窩夾層結構的共面力學性能研究[J].固體火箭技術,2010,6(33)：684-689.

[4] 楊 凱,劉立武,于開平，等.帶有典型缺陷的金屬蜂窩夾層結構的剩余強度研究[J].固體火箭技術,2011,5(34)：652-670.

[5] 鄒 靜,孫朝華,顧文標等.直升機蜂窩夾層結構缺陷驗收準則驗證技術研究[J].直升機技術,2014(1)：50-58.

InfluenceofOuterPanelReinforcementforMechanicalPropertyofHoneycombSandwichStructure

ZHAO Junfeng,ZHANG Qiao

(China Helicopter Research and Development Institute,Jingdezhen 333001,China)

This paper studied the mechanical property of Honeycomb Sandwich Structure(HSS) with defects and repaired in outside panel based on experimental investigation,theoretical analysis and finite element method.The failure modes of HSS were studied under tensile and compressive loads.The influence of outer panel size on failure mode was researched based on theoretical analysis and finite element method.Furthermore,the relationships of outer panel size with HSS’s property were provided in the end.This study can provide advices for the following apply and repair of HSS with defects.

Honeycomb Sandwich Structure;defects;mechanical property

2016-10-24

趙軍峰(1989-)，男，甘肅會寧人，碩士，助理工程師，主要研究方向：含缺陷材料的力學性能分析。

1673-1220(2017)03-026-04

V214.6

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