蜂窩芯體厚度對Nomex蜂窩夾層復合材料壓縮性能的影響

徐 猛

(陜西飛機工業(集團)有限公司，陜西 漢中 723213)

0 引言

目前對蜂窩夾層復合材料的壓縮性能研究等涉及的研究方法主要可以歸納為2種，分別是有限元法和解析法，主要針對的是面板屈皺問題的研究。Leotoing等通過借助第一種方法來針對材料整體的穩定性進行分析，同時借助第二種研究方法專門構建相應的模型來展開探究；修英姝等在研究中在有限元方法的基礎上融合了遺傳算法進而研究整個芯體的結構問題，討論內部各個影響因素之間的影響關系，如鋪層的角度和順序，厚度和扭曲度等因素，同時構建相應的算法模型，計算出當厚度發生改變時此時對應的屈曲因子，重點探討其厚度和臨界載荷失穩兩者的影響；法洋洋等在研究中借助有限元法來針對夾層的結構進行研究，并構建相應的研究模型，最終發現受到裁剪失效的影響會進一步影響到材料的形狀變化，最終影響整個材料的質量效果。結合上述研究內容發現，針對芯體厚度和材料屈曲載荷以及壓縮強度之間的影響關系研究比較缺乏。芯體厚度會對材料整體的壓縮性產生影響，Nomex蜂窩夾層復合材料具有低密度、高強度、絕緣、隔熱等優勢，所以在航空領域中被廣泛使用，具有良好的實際應用效果。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

選擇試樣材料，截面規格要求7.2cm×6.38cm，頂部3cm做灌膠，同時將材料兩端進行蒙皮增加厚度，芯體寬為60cm，屬于正六邊形，其邊長為0.8cm。壓縮試樣整體面板結構主要包括三層，鋪層要求為[(±45)/0/(±45)]，要求一三層都是編織機構，其針對選擇的材料為CCF3031/BA9916-Ⅱ，規格為2.3cm厚，第二層為單向帶，其針對選擇的材料是CCF3031/BA9916-Ⅱ，規格為1.25cm厚。蜂窩芯體制作的原材料為NRH-2-48，規格為0.8、1.2、2cm厚，彼此之間的連接主要借助膠體進行粘連。面板性能：其中E。芯體性能：ET=107MPa,GLT=37.8MPa,GWT=22.8MPa，EL=EW=GLW=0。面板內部各層性能：tab.1Mechanicalpropertiesof layers of carbon fiber laminates鋪層E11/MPaE22/MPAVg12/MPaG13，G23/MPaCCF300 121 200 9 720 0.311 5 5 260 3 000CF303 1 58 300 0.056 2 4 660 2 760。

1.2 試驗方法

需要使用的設備為型號為YAW-5000F的微機針對不同厚度的芯體進行電液長柱壓力試驗，檢測其各自的壓縮性如何，最終得出不同的結果之后計算均值。在進行操作的過程中需要將下端進行固定，然后從上往下進行試壓，兩側也需要安裝夾具，需要使得整個材料處于絕對的壓縮狀態下。同時還需要在測試過程中增加應變片，目的是能夠及時檢測出實驗過程中不同位置的變化，其中針對每個測試材料分別安置98個應變片進行檢測，并分別進行編號記錄。具體的應變片安裝分布：Fig.2 Positions of strain gage on the surface of specimen2。

2 試驗結果及討論

2.1 將不同測試樣本中間第四部分的截面作為壓縮性檢測的結果

進行研究，繪制出不同的載荷應變曲線圖。通過繪制圖形能夠看出在厚度為0.8cm的樣本中，整體的曲線主要可以分成2部分內容，開始是實驗階段直到樣本發生屈曲，然后是從開始出現屈曲直到最終損壞。分析第一部分的變化整體表現為線性變化，而進入到第二部分的變化中則表現出非線性的改變，同時即使樣本已經出現明顯的屈曲變化，但是其負荷能力依然很好，在外部壓力逐漸增加的情況下這種屈曲也會逐漸增加，達到一定程度后出現損壞。在1.2cm厚度的芯體曲線中，發現其整體的曲線變化結構和0.8cm曲線比較一致。在2cm厚度的樣本曲線圖中則和之前的變化完全不同，整體曲線結構只表現出一種狀態，也就是沒有屈曲環節，直接是隨著壓力的增大發生損壞。

2.2 分析芯體厚度和屈曲載荷之間的關系

通過研究發現，在樣本厚度為0.8和1.2cm的實驗中，其對應的承載力為56、112kN，厚度為2cm的樣本中并沒有發生屈曲變化這一環節。這也就意味著厚度對于材料整體的載荷性能有著絕對的影響關系蜂窩芯體厚度對 Nomex蜂窩夾層復合材料壓縮性能的影響，(a) 8mm (b) 12mm (c) 20mm，當芯體厚度不同時對應的載荷曲線圖也會表現出一定的差異性。Fig.3 Load-strain curves of specimens with different honeycomb core thicknesses研究發現當厚度不斷增加時，此時對應的載荷能力也在逐漸上升。而針對這種厚度一般的材料彎曲剛度計算為D=Ei1t1Ei2t2h2(Ei1t1+Ei2t2)λ(1)λ=(1-νxyνyx)，其中vxy，vyx為材料的泊松比，h為芯體厚度，t1為上面板厚度，t2為下面板厚度，Ei1為上面板彈性模量，Ei2為下面板彈性模量。通過上述計算方法能夠發現這種厚度平方和彎曲剛度之間為正相關，也就是說對應的厚度越大，此時的彎曲剛度也會增加，意味著材料的承載性能越強。針對0.8和1.2cm的2個材料實驗中發現在負載增加到一定程度上出現了彎曲變化，借助該公式計算對應的彎曲剛度比是1∶2.25，實驗計算結果為1∶2，差異性較小。厚度為2cm的樣品中發現沒有出現屈曲變化，只有一種變化。

2.3 研究芯體厚度和破壞載荷之間的關系

通過計算發現3組厚度不同的樣品最終對應的破壞載荷為99.7、124、202.1kN，對應的破壞應變為5906×10-6，6464×10-6，7528×10-6。通過這組數據能夠發現厚度和破壞載荷之間的關系也為正向影響，計算后2種樣品的破壞載荷能夠發現比0.8cm厚度的能力提高了0.24和1.02倍。在復合材料中，芯體在和厚度垂直的LW面內剛度是處于無窮小的狀態，而GLW和L、W方向分別對應的EL、EW的值都是0，也就是說在LW面內的載荷主體為面板自身，芯體的作用只是進行結構支撐。這也就意味著在芯體的厚度發生變化不斷變大的時候，此時的材料對應的屈曲度也會發生變化，而一旦出現屈曲變化時，這種載荷能力將會大打折扣，并隨著壓力的不斷增加最終出現破壞。

3 結語

結論：(1)復合材料本身的屈曲載荷和芯體厚度之間正相關，當厚度較薄時，對應的載荷能力也會減弱。實驗中在0.8、1.2cm厚度的樣本中，出現了屈曲變化，而2cm的實驗中沒有屈曲變化，則后者的承載能力要大于前兩者。(2)如果材料的這種載荷能力比面板斷裂強度要高，則此時的這種厚度變化和載荷性能之間的關系逐漸減弱。所以只有當這2種載荷能力相同時，此時對應的厚度是保障材料性能質量最優的數值。