蜂窩夾層結構及其埋件的力學性能研究

李鶯歌 關 鑫 陳維強 彭志剛 朱大雷

(北京衛星制造廠，北京 100094)

文 摘 對蜂窩夾層結構及其側向和板內M5埋件力學性能進行了研究，分析了蒙皮厚度、膠黏劑面密度和膠接強度對力學性能的影響。結果表明，適當增加蒙皮厚度，有利于提高蜂窩夾層結構及其埋件的力學性能；在同等膠接強度下，膠黏劑面密度對力學性能的影響可以忽略，可選用面密度較低的膠黏劑來降低結構質量；埋件系統承受面內剪切載荷的能力明顯優于其承受垂直于蒙皮的面外拉拔載荷能力；承受面內剪切載荷時，埋件系統的失效模式以埋件區域蒙皮局部破壞為主；承受面外拉拔載荷時，埋件周圍蜂窩芯先失穩破壞，并最終導致埋件帶動蒙皮變形、局部發生破壞。所得結果可為結構設計優化提供參考。

0 引言

蜂窩夾層結構具有比強度、比剛度高，可設計性強等優點，現已成為航天器的基本結構部件[1-3]，主要用于提供支撐、承受和傳遞載荷、保持結構剛度等方面[4]。其中，埋件是蜂窩夾層結構與其他結構連接，以及蜂窩夾層結構上儀器設備安裝時的主要受力部件[5]。研究蜂窩夾層結構及其埋件的力學性能對優化航天器結構設計、平衡結構強度與結構質量意義重大。本文簡述蜂窩夾層結構及其埋件的力學性能測試條件和結果，分析蒙皮厚度、膠黏劑面密度和膠接強度對力學性能的影響。

1 實驗

1.1 試件

1.1.1尺寸及構型

(1)膠黏劑試件包括剪切試件和90°板-蜂窩剝離試件。其中，剪切試件的尺寸及構型按GB7124—1986規定，90°板-蜂窩剝離試件按GJB130.8-1986規定。

(2)蜂窩夾層結構平面拉伸試件尺寸為60 mm×60 mm×21 mm，平面剪切試件尺寸為150 mm×50 mm×21 mm，彎曲試件尺寸為600 mm×55 mm×21 mm，蜂窩L方向為長度方向。

(3)蜂窩夾層結構埋件靜力試件尺寸及構型見圖1，試件高度為21 mm，蜂窩L方向為長度方向，具體的埋件尺寸及構型見圖2。

圖1 金屬埋件靜力試件示意圖Fig.1 Metal insert pull-out sample

圖2 金屬埋件結構示意Fig.2 Schema of different metal inserts

1.1.2材料

(1)蒙皮，國產碳纖維/改性氰酸酯樹脂BHM3-3K/BS-4復合材料層合板[6]，厚度0.32、0.24 mm。其中，試件a選用0.32 mm，試件b、c選用0.24 mm。

(2)埋件，3#高強鋁棒AAHS-3-T6(Z/HNZJ001-2007)，直徑22、28 mm。

(3)蜂窩，有孔鋁蜂窩芯材LF2-Y(HB5443-90)，鋁箔厚度0.03 mm，格孔邊長5 mm，芯高20.4、20.5 mm。其中，試件a選用20.4 mm，試件b、c選用20.5 mm。

(4)膠黏劑，試件a、b選用J-312系列(Q/HSY202-2012)，包括底膠J-312B，膠膜J-312C，面密度約為(130～140)g/m2；試件c選用J-47系列(Q/HSY003-2012)，包括底膠J-47B，膠膜J-47C，面密度約為(200～210)g/m2；發泡膠均選用J-47D，厚度1 mm。

1.1.3制備工藝

(1) 預浸料，利用熱熔法獲取BHM3-3K/BS-4預浸無緯布，厚度0.06、0.08 mm，控制含膠量約為38wt%，揮發分≤1.0%。

(2) 蒙皮，將預浸料按纖維方向[0°/+45°/-45°/90°]次序疊合后經真空袋—熱壓罐法固化成形。固化工藝為0.9 MPa，180℃，2 h，并于全過程保持-0.1 MPa的真空壓。其中，纖維0°方向為長度方向，90°層為蒙皮與蜂窩的膠接面。

(3) 埋件，按圖2采用數控機床加工。

(4) 表面處理，埋件采取磷酸陽極氧化處理，蜂窩芯材膠接面利用乙酸乙酯清洗，蒙皮膠接面打磨樹脂層后用乙酸乙酯清洗。

(5) 剪切試件膠接工藝，按(80±20)g/m2的涂膠量在兩個剪切試片的膠接面上均勻涂刷底膠，烘干后將膠膜鋪放在任意一個試片的膠接面上，然后將兩個試片進行膠接。

(6) 蜂窩夾層結構膠接工藝，按(80±20)g/m2的涂膠量將底膠均勻地涂于蒙皮膠接面，以及埋件上下端面，烘干后在蒙皮膠接面鋪放膠膜，在埋件周圍包裹發泡膠，利用膠黏劑將各類零件組合為一體。

(7) 試件固化工藝，利用真空袋—熱壓罐法固化，固化工藝為0.12 MPa，130℃，2 h[7]。

1.2 測試

1.2.1測試設備和標準

采用Instron5982型材料力學試驗機按GB7124—1986測試膠黏劑剪切性能，按GJB130.8—1986測試膠黏劑90°板-蜂窩剝離性能；按GJB130.4—1986測試蜂窩夾層結構平面拉伸性能；按GJB130.6—1986測試蜂窩夾層結構平面剪切性能；按GJB130.9—1986測試蜂窩夾層結構彎曲性能，測試跨距為300 mm。

1.2.2夾具及加載方式

膠黏劑和蜂窩夾層結構性能測試依據測試標準全部選用標準夾具。

埋件性能測試夾具包括兩類，分別用于埋件的面外拉拔和面內剪切性能測試。其中，面外拉拔測試夾具由底板、調平塊、壓板、固定螺桿、施力螺桿和組合螺栓組成。底板通過固定螺桿固定在試驗機上；壓板中心有加載口，直徑φ100 mm，施力螺桿穿過加載口，通過試驗機對試件施加拉脫力[8]；測試時，利用調平塊將試件水平固定在底板與壓板之間，再用組合螺栓裝夾。面內剪切測試夾具由加載板和緊固螺釘組成，緊固螺釘通過埋件螺孔，將加載板與蜂窩夾層結構板固定，試驗機通過加載板對埋件施加剪切載荷。側向埋件垂直于邊緣進行剪切時可在螺孔內對稱安裝固定螺桿和施力螺桿，通過試驗機施加縱向拉伸載荷。

埋件力學性能檢測的加載方式(圖3)為施加面外拉拔力和面內剪切力，用以考核埋件承受拉拔和剪切載荷的能力，每種加載方式的描述見表1。測試過程應使固定螺桿、施力螺桿位于同一軸線并垂直于埋件的螺孔端面，然后再對埋件施加縱向拉伸載荷，預加載100 N，再按5 mm/min的速度加載至試件破壞。

圖3 埋件靜力試件加載方式示意圖Fig.3 Schermatic of diffrent metal insert pull-out sample

表1 加載方式的描述

Tab.1 Description of loading modes

加載方式代號埋件特點加載方式描述A-A邊緣側向埋件沿邊緣方向面內剪切B-B邊緣側向埋件垂直于邊緣方向面內剪切C-C內部板內埋件平行于蒙皮方向面內剪切D邊緣側向埋件垂直于蒙皮方向面外拉拔E內部板內埋件垂直于蒙皮方向面外拉拔

2 結果與討論

2.1 膠黏劑的膠接性能

蜂窩夾層結構中蒙皮與蜂窩之間膠黏劑的剪切強度、90°板-蜂窩剝離強度是衡量膠黏劑膠接性能優劣的主要指標。實驗考察了J-312系列和J-47系列膠黏劑的膠接性能。實測結果見表2，相比J-47系列，J-312系列膠黏劑的比強度更高，其面密度雖然降低了約70 g/m2，但其膠接強度與J-47系列相當，甚至更優。因此，在同等膠接強度下，選擇J-312系列膠黏劑可有效降低結構質量。

表2 膠黏劑性能指標

2.2 蜂窩夾層結構的力學性能

蜂窩夾層結構的蒙皮主要承擔結構中的彎曲應力以及面內拉、壓和剪切應力；蜂窩芯材在夾層結構中起連接和支撐蒙皮的作用，主要承擔橫向剪切應力；蒙皮與蜂窩之間的膠黏劑將蒙皮和蜂窩芯材束縛成整體，主要提供界面強度與剛度。為分析蒙皮厚度、膠黏劑面密度和膠接性能對蜂窩夾層結構的力學性能影響，采用本文1.1節相應條件分別制成試件a、b、c，其力學性能測試結果見表3。

實驗結果表明，蜂窩夾層結構試件b，c的力學性能基本相當，這是由于試件b，c除蒙皮與蜂窩之間的膠黏劑不同外，其他技術狀態完全一致，而兩種膠黏劑雖然牌號和面密度不同，但其膠接強度基本相當，因此不影響試件的力學性能。由此可知，在同等膠接強度下，可采用面密度較低的膠黏劑以降低結構質量。

同時，實驗發現試件a的力學性能明顯優于試件b和c，分析各類試件的技術狀態可知，這是由于試件a的蒙皮厚度為0.32 mm，而試件b和c的蒙皮厚度為0.24 mm，對于蜂窩夾層結構而言，在保證蒙皮與蜂窩膠接強度的前提下，蒙皮厚度越大，其強度越大，相應的抵抗彎曲應力、面內拉、壓和剪切應力的能力也越大，因此，蒙皮較厚的試件，其平面拉伸、平面剪切和彎曲性能也越高。

表3 蜂窩夾層結構的力學性能

2.3 側向M5埋件的力學性能

在等厚度21 mm的蜂窩夾層結構內埋置尺寸構型完全一致的側向M5埋件，對應不同的蒙皮和膠黏劑，埋件在各個加載方式下的承載力見表4。

表4 側向M5埋件的力學性能

測試結果表明，蜂窩夾層結構中側向M5埋件的承載力表現為試件a最優，試件b略優于試件c。而且，同種試件中側向埋件在不同加載方式下的承載力差異也較大，其中垂直于邊緣方向的面內剪切載荷承載力最大，沿邊緣方向的面內剪切載荷次之，垂直于蒙皮方向的面外拉拔載荷最低。分析認為：側向埋件位于蜂窩夾層結構邊緣，在垂直于蒙皮的面外拉拔載荷作用下，埋件系統需要同時承受拉拔、剪切和剝離等多種形式的載荷，但由于埋件位于結構邊緣，所受載荷無法有效、均勻地傳遞給周圍的蜂窩夾層結構，所以埋件區域的蜂窩芯材和蒙皮會很快受到破壞而導致承載失效，埋件承載力較低。但側向埋件承受面內剪切載荷時，所受載荷會通過埋件與蒙皮之間的膠黏劑直接傳遞給上下蒙皮，并最終以埋件區域的蒙皮破壞導致承載失效。實驗發現，埋件承受垂直于邊緣方向的面內剪切載荷時，埋件端面的受力均勻、單一，而埋件承受沿邊緣方向的面內剪切載荷時，由于埋件系統需要同時承受剪切和扭轉等多種載荷，埋件端面不同部位的受力各不相同，在相同載荷下扭矩較大部位的蒙皮會首先發生破壞導致承載失效，因此，側向埋件承受垂直于邊緣方向的面內剪切能力明顯高于其承受沿邊緣方向的面內剪切載荷能力。

2.4 板內M5埋件的力學性能

在等厚度21 mm的蜂窩夾層結構內埋置尺寸構型完全一致的板內M5埋件，對應的不同蒙皮和膠黏劑，埋件在各個加載方式下的承載力見表5。

測試結果表明，試件a中的板內M5埋件承載能力最優，試件b，c中的板內M5埋件承載能力基本相當。分析認為：在蜂窩夾層結構中，板內埋件受到的面內剪切載荷會通過埋件上下端面與蒙皮之間的膠黏劑直接傳遞給上下蒙皮，由于三種試件所用膠黏劑的膠接強度基本一致，但試件a的蒙皮略厚，試件b，c的蒙皮厚度一致，且相對較薄，因此試件a的埋件承載力較大，試件b，c的埋件承載力較小，且數據基本相當。另一方面，板內埋件受到的面外拉拔載荷會經過埋件周圍的膠黏劑以剪切力形式傳遞給周圍的蜂窩芯材和蒙皮，由于蜂窩芯材的剪切強度遠低于膠黏劑的剪切強度，因此在垂直于蒙皮的面外拉拔載荷作用下，蜂窩芯材在未達到屈服強度極限時，就發生了皺褶現象，隨著載荷加大，蜂窩芯材的受力情況便由起初的受剪切力變為了沿蜂窩芯材對角線的拉力，直至埋件周圍的蜂窩芯材被撕裂破壞，埋件帶動蒙皮沿法向移動，最終導致埋件區域復材蒙皮斷裂分層，埋件系統承載失效[9-10]。綜合以上分析，蜂窩夾層結構板內埋件承受垂直于蒙皮的面外拉拔載荷能力較面內剪切載荷能力低，且蒙皮厚度越大，埋件承載力越大。

表5 板內M5埋件的力學性能

3 結論

(1) 在保證蒙皮與蜂窩膠接強度的前提下，適當增加蒙皮厚度，有利于提高蜂窩夾層結構及其埋件的力學性能。

(2)在同等膠接強度下，蒙皮與蜂窩之間的膠黏劑面密度對蜂窩夾層結構及其埋件力學性能的影響可以忽略，可以選用面密度較低的膠黏劑來降低結構質量。

(3) 蜂窩夾層結構內埋件承受面內剪切載荷的能力明顯優于其承受垂直于蒙皮的面外拉拔載荷能力。

(4) 蜂窩夾層結構內埋件所受面內剪切載荷會通過膠黏劑直接傳遞給埋件區域的上下蒙皮，埋件系統的失效模式以蒙皮局部破壞為主。

(5) 蜂窩夾層結構內埋件所受垂直于蒙皮的面外拉拔載荷會通過膠黏劑以剪切力的形式傳遞給周圍蜂窩芯材和上下蒙皮，失效模式為埋件周圍蜂窩芯材先失穩破壞，并最終導致埋件帶動蒙皮變形、局部發生破壞。