夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)要求

肖瑾

（中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門448035）

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過(guò)對(duì)夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能的測(cè)試，進(jìn)而獲得材料設(shè)計(jì)許用值,為設(shè)計(jì)和分析提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)選取的夾層結(jié)構(gòu)的面板由T700SC-12K-50C/#2510 碳纖維編織預(yù)浸料制造，芯材為AHN4120 蜂窩和HT81 泡沫。

CCAR 23-R3 23.603（a）（b）要求零件所用材料的適用性、耐久性和工藝質(zhì)量符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，要考慮到預(yù)期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。

CCAR 23-R3 23.613（a）（b）要求材料的強(qiáng)度性能必須以足夠的材料試驗(yàn)為依據(jù)，在試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上制定設(shè)計(jì)值，且選擇的設(shè)計(jì)值必須有一定的安全概率和置信度。

2 符號(hào)表

Fsyield芯子2%應(yīng)變剪切強(qiáng)度 MPa

Fsult芯子極限剪切強(qiáng)度 MPa

EI 夾層梁的彎曲剛度 GPa

GZ 夾層梁的剪切剛度 GPa

Pmax試件破壞前承受的最大載荷 kN

X 給定性能在樣本母體中的平均值或均值

CV 給定性能樣本母體的離散系數(shù)統(tǒng)計(jì)量 %

Bj給定性能的B 基準(zhǔn)值

λE 高溫干態(tài)的環(huán)境影響因子

λC 低溫干態(tài)的環(huán)境影響因子

ETW 高溫濕態(tài)

3 試驗(yàn)件

3.1 批次

夾層結(jié)構(gòu)的一個(gè)材料批次定義為：由一個(gè)單獨(dú)批次的預(yù)浸料和一個(gè)單獨(dú)批次的芯材制造而成的復(fù)合材料。根據(jù)試驗(yàn)的需要，一個(gè)批次的夾層結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)工藝循環(huán)可得到若干件試板，每個(gè)試板上可以切割出若干件試件。圖1 所示為一個(gè)3×2×3 的試驗(yàn)件選取的示意圖，即3 個(gè)批次，每個(gè)批次2 塊試板，每塊試板上切取3 件試樣，共18 件。

圖1 試件3×2×3 試件取樣圖

為了驗(yàn)證材料性能的穩(wěn)定和制造工藝的穩(wěn)定性，B 基準(zhǔn)的減量取樣通常需要3 個(gè)單獨(dú)批次的預(yù)浸料，每批6 個(gè)試件。

3.2 試驗(yàn)件編號(hào)規(guī)則

試驗(yàn)件編號(hào)為：H1-01/A-S-R-01

"H1"：材料構(gòu)型，鋪層編號(hào)，"H+數(shù)字"表示蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，"F+數(shù)字"表示泡沫夾層結(jié)構(gòu)，"H1+Φ8"表示帶預(yù)制缺陷的直徑為8mm、鋪層為H1 的夾層結(jié)構(gòu)，具體鋪層方案及其編號(hào)見(jiàn)表1 和表2。"01/A":"01"表示批次，"A"表示不同的工藝循環(huán)，每批次的夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)包含A,B 兩個(gè)獨(dú)立的工藝循環(huán)。"S":試驗(yàn)類型，BF（Beam Flexure）, 夾層結(jié)構(gòu)的梁彎曲試驗(yàn)。"R":試驗(yàn)環(huán)境R 表示室溫干態(tài)（RTD）, C 表示低溫干態(tài)（CTD）, E 表示高溫干態(tài)（ETD）。"01"：每塊試板中裁取的試驗(yàn)件編號(hào)，從01 開(kāi)始，依次增長(zhǎng)。

3.3試驗(yàn)矩陣

某型通用飛機(jī)采用的夾層結(jié)構(gòu)鋪層方案和應(yīng)用部位見(jiàn)表1，本試驗(yàn)試驗(yàn)矩陣見(jiàn)表2。

表1 鋪層和編號(hào)清單

4 試驗(yàn)項(xiàng)目及要求

本試驗(yàn)依據(jù)ASTM C 393/C393M-06 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，測(cè)定AHN4120 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和HT81 泡沫夾層結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度和彎曲剛度，評(píng)定芯子和面板的膠接質(zhì)量，驗(yàn)證夾層結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析方法。試驗(yàn)矩陣見(jiàn)表2，具體試驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表3。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)選取H1 和H2 兩種鋪層，泡沫夾層結(jié)構(gòu)選取F1 鋪層。

表2 許用值試驗(yàn)矩陣

表3 夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)主要得到夾層梁彎曲的破壞模式，驗(yàn)證計(jì)算方法，不得到B 基準(zhǔn)值。

本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的3 點(diǎn)加載夾具構(gòu)型，如圖2 所示，支座中心線的距離是150mm。兩種芯材的夾層結(jié)構(gòu)試件都采用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型，試件尺寸為75mm×200mm 的矩形橫截面。

圖2 本試驗(yàn)采用的三點(diǎn)加載構(gòu)型示意圖

要求測(cè)量試件的變形撓度- 力曲線，以及測(cè)量試件彎曲變形中上、下面板的應(yīng)變，試件尺寸，應(yīng)變片的粘貼位置和撓度計(jì)的位置如圖3 所示。應(yīng)當(dāng)把試件的真空袋側(cè)面板放在上面，作為試驗(yàn)過(guò)程中承受壓縮載荷的面板。

圖3 試件尺寸和應(yīng)變片貼片位置

5 試驗(yàn)要求

5.1 一般要求

5.1.1 試驗(yàn)涉及的所有試驗(yàn)夾具要求按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并能滿足適航當(dāng)局的審查。

5.1.2 所有的試驗(yàn)方法、加載方法和步驟要求嚴(yán)格按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

5.1.3 在試驗(yàn)以前，目視檢測(cè)試件是否存在明顯的損壞和劈絲。對(duì)符合質(zhì)量要求的試件進(jìn)行編號(hào)，測(cè)量試驗(yàn)件原始尺寸：測(cè)定試驗(yàn)件工作段任意三處的寬度b 和厚度h，取算術(shù)平均值。

5.1.4 對(duì)試件和工裝夾具照相，用攝像機(jī)記錄試件破壞過(guò)程。記錄加載速度、載荷和位移或應(yīng)變。記錄試驗(yàn)的環(huán)境溫度和濕度，記錄并拍攝試件的破壞模式。所有試驗(yàn)都要求詳細(xì)記錄試件的破壞模式，要求破壞模式的照片清晰可辨，背景統(tǒng)一。

5.1.5 數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)按照相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)大綱中應(yīng)給出明確地試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，所有數(shù)據(jù)計(jì)算均需要給出平均值，數(shù)據(jù)統(tǒng)一以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位進(jìn)行記錄。

5.1.6 試驗(yàn)進(jìn)行期間，失效模式不理想（即計(jì)量區(qū)域外失效或緊固件頭部失效）和/或變異系數(shù)（CV）大于等于10%的數(shù)據(jù)組應(yīng)立即進(jìn)行調(diào)查（在該組試樣進(jìn)行其他試驗(yàn)前進(jìn)行），以確定引起試驗(yàn)異常的原因，并確定是否需要重新試驗(yàn)。

5.2 設(shè)備要求

試驗(yàn)所有試驗(yàn)儀器設(shè)備均進(jìn)行計(jì)量標(biāo)定，加載設(shè)備的靜載誤差為±1%，位移測(cè)量設(shè)備（LVDT）精度為±1%，具有使用合格證，并在有效期內(nèi)。試驗(yàn)單位應(yīng)提供試驗(yàn)用到的全部設(shè)備的詳細(xì)情況，包括設(shè)備的名稱、規(guī)格、型號(hào)、量程、稱量精度以及相應(yīng)的標(biāo)定合格證書。該部分信息應(yīng)在試驗(yàn)大綱中詳細(xì)說(shuō)明，經(jīng)雙方單位同意后方可進(jìn)行下一步試驗(yàn)。主要設(shè)備應(yīng)包括：加載系統(tǒng)，記錄系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，攝像系統(tǒng)，應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)等，如用到的其他特殊設(shè)備，應(yīng)詳細(xì)說(shuō)明。

5.3 環(huán)境要求

低溫干態(tài)（CTD）：溫度-55℃～±3℃，“制造狀態(tài)”的吸濕量。

室溫干態(tài)（RTD）：溫度23℃～±3℃，“制造狀態(tài)”的吸濕量。

高溫干態(tài)（ETD）：溫度70℃～±3℃，“制造狀態(tài)”的吸濕量。

5.3.1 高溫試驗(yàn)要求

開(kāi)始試驗(yàn)之前，應(yīng)將溫度箱和試驗(yàn)夾具預(yù)熱到規(guī)定的溫度。每個(gè)試件加熱到試驗(yàn)所需的溫度，并用與試件工作段直接接觸的熱電偶加以校驗(yàn)，試件達(dá)到試驗(yàn)溫度后的2 分鐘后開(kāi)始試驗(yàn)，試件加熱不應(yīng)超過(guò)5 分鐘。試驗(yàn)中，試件溫度應(yīng)在要求溫度的±3℃范圍內(nèi)。

5.3.2 低溫試驗(yàn)要求

每個(gè)試件都應(yīng)冷卻至所需要的試驗(yàn)溫度，并用與試件工作段直接接觸的熱電偶加以校驗(yàn)，試件達(dá)到試驗(yàn)溫度后的5 分鐘后開(kāi)始試驗(yàn)，試驗(yàn)中，試件溫度應(yīng)在要求溫度的±3℃范圍內(nèi)。

6 試驗(yàn)程序

各個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的操作步驟應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)的ASTM標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)步驟進(jìn)行，并做好試驗(yàn)記錄。試驗(yàn)過(guò)程的一些基本步驟和要求如下：

6.1 試驗(yàn)開(kāi)始前，制造符合性檢查代表對(duì)試驗(yàn)件、試驗(yàn)裝置和人員資格等進(jìn)行檢查，確保試驗(yàn)件和試驗(yàn)裝置符合工程圖紙和試驗(yàn)大綱。

6.2 測(cè)量試驗(yàn)件原始尺寸。

6.3 試驗(yàn)件與試驗(yàn)夾具安裝時(shí)，應(yīng)避免試驗(yàn)件由于碰撞和擠壓而引起的損傷。

6.4 根據(jù)不同試驗(yàn)項(xiàng)目的要求，設(shè)定相應(yīng)的試驗(yàn)環(huán)境箱的溫度和濕度值。

6.5 試件的加持力矩，應(yīng)根據(jù)不同的試驗(yàn)項(xiàng)目，依據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的大小。

6.6 試驗(yàn)中出現(xiàn)異常情況時(shí)，首先停止試驗(yàn)，做好試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄，及時(shí)征求試驗(yàn)委托方的意見(jiàn)，并及時(shí)處理解決。