蜂窩夾層復合材料結構側壓強度研究＊

曹陽麗，徐建新，王 軒，周春蘋

（1.中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；2.中國航空工業集團公司濟南特種結構研究所 高性能電磁窗航空科技重點實驗室，山東 濟南 250023）

夾層結構是一種典型的復合材料結構，它主要是由面板和芯子構成的，其中，面板主要承受面內載荷和彎矩提供的彎曲剛度，中間芯子主要承受由面外載荷引起的剪力提供剪變剛度[1-3]。面板和芯子通過黏結劑黏結在一起。目前，這類結構已被廣泛應用于航空航天等領域[4]。

宋恩鵬等[5]利用材料彈性系數剛度退化模型對復合材料挖補結構進行了極限強度分析，張阿櫻等[6]利用有限元模型建立了適用于織物纖維增強復合材料的靜態力學強度的失效準則和材料性能退化準則，N.A.Fleck和I.Sridhar[7]研究了由編織玻璃纖維樹脂增強面板和PVC聚合物泡沫芯構成的夾層板材在側壓載荷下的失效模式受材料組合形式和夾層板材幾何形狀的影響。

本文以7781型平紋機織物（增強體為玻璃纖維，基體為環氧樹脂）為面板、Nomex芳綸紙蜂窩為夾芯的蜂窩夾層結構為研究對象，研究其側壓強度。首先，我們采用ABAQUS有限元軟件對蜂窩夾層復合材料試驗件進行有限元模擬，接著進行等尺寸試驗件的側壓強度試驗，最后結合有限元結果和實驗結果，驗證有限元模型的有效性。

1 有限元建模

1.1 面板失效準則和材料參數退化

對于平紋織物，其失效準則與單向纖維單層板有區別，主要考慮纖維的拉、壓破壞和纖維-基體剪切破壞3種模式，不考慮基體損傷。蜂窩夾層結構上面板總厚度為0.8 mm，鋪層數目為3，織物經向與試件長度方向一致，下面板與上面板相同。對于面板的材料剛度退化，其退化模式為纖維經向壓縮破壞，E11和G13退化系數為0.001，v12和v13退化為0，G12退化系數為0.1；纖維緯向壓縮破壞，E22和G23退化系數為0.001，v12和v23退化為0，G12退化系數為0.1；纖維-基體剪切破壞，v12退化為0，G12退化系數為0.1.

1.2 蜂窩芯材料參數

蜂窩芯材料為芳綸紙，其幾何形式為正六邊形。為了簡化分析，對蜂窩芯進行等效處理成正交各項異性材料[8]，模型單元選擇C3D8R。計算得出蜂窩芯等效參數如表1所示。

表1 蜂窩芯材料等效參數

1.3 膠層損傷破壞機制

本文采用三維內聚力單元COH3D8來模擬面板與蜂窩芯之間的膠層，采用二次名義應力準則判定界面損傷起始，使用二次能量釋放率準則來描述損傷演化規律。

1.4 有限元模型

根據相關材料參數建立如圖1所示的有限元模型。

圖1 蜂窩夾層結構應力云圖

圖2 夾層結構側壓試驗裝置

由圖1知，應力S11集中分布于試驗件上下兩側，這是因為試驗件左側被完全固定，右側是加載端，上下兩端無限制，因此，應力更為集中。

2 蜂窩夾層結構側壓強度試驗

根據夾層結構相關試驗標準[9]，試件尺寸規定為，試驗件名義長度100 mm，寬度55 mm，厚度7.6 mm。其中，夾持端為20 mm，側壓試驗裝置如圖2所示，側壓后的試驗件如圖3所示。

圖3 側壓試驗后的試驗件

圖4 模擬值與試驗值對比圖

3 對比分析

已得出試驗件有限元模擬側壓強度值為73.4 Mpa，將模擬值與試驗值進行對比分析，對比結果如圖4所示。

計算得出試驗結果與模擬結果間的誤差率為9.8%，小于10%，說明建立的有限元模型可行，可用于預測平紋編織蜂窩夾芯結構的側壓性能。綜合考慮復合材料本身的離散性和加工過程中的誤差，此模擬結果可以接受。

4 結論

利用ABAQUS有限元軟件，結合USDFLD子程序，采用針對織物單層板的失效準則和材料退化準則，并對蜂窩芯進行等效計算，建立了蜂窩夾層結構側壓模型。根據夾層結構側壓試驗標準，開展了側向壓縮試驗。通過對比模擬結果與試驗結果，計算其誤差率為9.8%，小于10%，說明該有限元模擬分析方法較為準確、有效，可用于預測蜂窩夾層復合材料結構的側壓強度。

［1］杜善義.先進復合材料與航空航天［J］.復合材料學報，2007，24（1）：1-12.

［2］Zabihpoor M，Adibnazari S，Moslemian R，et al.MechanismsofFatigueDamagein Foam Core Sandwich Composites with Unsymmetrical Carbon/Glass Face Sheets［J］.Journal of Reinforced Plastics&Composites，2007，26（17）：1831-1842.

［3］王興業.夾層結構復合材料設計原理及其應用［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［4］CMH-17協調委員會.復合材料手冊6-復合材料夾層結構［M］.汪海，沈真，譯.上海：上海交通大學出版社，2016.

［5］宋恩鵬，洪海明，張音旋，等.復合材料挖補修理結構漸進損傷分析［J］.飛機設計，2017（4）：28-31.

［6］張阿櫻，張東興.含孔隙碳纖維/環氧樹脂層合板力學性能模擬［J］.哈爾濱工程大學學報，2013，34（3）：389-393.

［7］Fleck NA，Sridhar I.End compression of sandwich columns

［J］.CompositesPartAAppliedScience&Manufacturing，2002，33（3）：353-359.

［8］劉念超.蜂窩芯子的力學性能計算［J］.玻璃鋼/復合材料，1993（6）：21-24.

［9］ASTM C364/C364M-16 Standard Test Method for Edgewise Compressive Strength of Sandwich Constructions［S］.American：American Society for Testing and Materials，2016.