板芯脫黏損傷對復合材料蜂窩夾層結構振動特性的影響

周 平， 孫鋒山， 陳名華

(空軍工程大學航空機務士官學校， 河南信陽， 464000)

復合材料蜂窩夾層結構是由高強度、高剛度的上下兩層薄復合材料面板和低密度、低剛度、低強度的蜂窩芯材組成。由于其具有比強度、比剛度高和隔熱、隔振、隔聲性能好等優點，被廣泛應用于航空航天等領域。但蜂窩夾層結構的界面強度低，且在制造和使用過程中易受外物沖擊，導致其不可避免會產生各種損傷，如脫黏、裂紋、凹坑等，其中板芯界面脫黏是最普遍、危害最嚴重的損傷。

迄今為止，國內外學者分別從理論、試驗和仿真等方面對復合材料蜂窩夾層結構的壓縮[1]、彎曲[2]、疲勞[3]、沖擊[4]等力學性能開展了大量研究，但對其振動特性(尤其是含損傷時)的研究較少。本文基于蜂窩芯材的細觀構造，利用有限元軟件ANSYS建立了含板芯脫黏損傷的復合材料蜂窩夾層結構有限元模型，研究脫黏損傷的尺寸和位置對振動特性的影響，為該類結構的敲擊、聲振等檢測方法提供依據，也可為損傷容限的分析與設計提供參考。

1 有限元建模

1.1 幾何模型及材料屬性

本文研究的復合材料蜂窩夾層結構平面尺寸為120 mm×60 mm。上下面板采用T300/QY8911層壓板，單層厚度0.12 mm，鋪層順序[0/±452/90]。面板與蜂窩芯之間采用厚為0.35 mm的環氧結構膠膜粘接固化。蜂窩芯材采用10 mm高的Nomex芳綸紙蜂窩，蜂格為邊長2 mm的正六邊形，名義密度為48 kg/m3。蜂窩壁是一種夾層結構，芳綸紙外表面附有酚醛樹脂涂層，其中芳綸紙厚0.05 mm，酚醛樹脂涂層厚0.008 mm，因此單層蜂窩壁及雙層蜂窩壁材料厚度組成[tresin/tpaper/tresin]分別為[0.008/0.05/0.008]mm和[0.008/0.1/0.008]mm。

在工程實際中，脫黏區的形狀一般是橢圓形的，從保證安全和便于分析的考慮出發，可以用外切矩形代替原有的橢圓形狀進行分析[5]。因此，本文所研究的脫黏損傷的形狀設為長方形，且與蜂窩結構的長寬比相同。損傷位于上膠膜與蜂窩芯之間。損傷面積(Sd)取面板面積(S)的0%(即無損傷)、1%、4%、6.25%、9%、16%、25%和36%；損傷中心位于蜂窩夾層結構縱軸線上，損傷到結構約束端的距離(Ld)取結構長度(L)的10%、50%和90%(如圖1所示)。

圖1 脫黏損傷的位置

T300/QY8911層合復合材料的性能參數為ρ=1 600 kg/m3、E11=135 GPa、E22=E33=8.8 GPa、ν12=ν13=0.33、ν23=0.25、G12=G13=4.47 GPa、G23=3.2 GPa。膠膜材料的性能參數[6]為ρ=390 g/m2、E=2 GPa、ν=0.3。

芳綸紙是一種芳綸纖維增強材料，縱向(1方向)和橫向(2方向)的性能不同，蜂窩芯體的高度方向與芳綸紙的橫向一致。芳綸紙的性能參數[4]為ρpaper=820 kg/m3、G12=1.26 GPa、ν=0.3、E1=3.1 GPa、E2=1.6 GPa。酚醛樹脂的性能參數[7-8]為ρresin=1 380 kg/m3、E=5.8 GPa、ν=0.389。

1.2 網格劃分及邊界條件

使用ANSYS? 15.0軟件建立復合材料蜂窩夾層結構的三維有限元模型。蜂窩壁厚度遠小于其他方向的尺寸，并且遠小于整體結構尺寸的1/10，因此采用SHELL181殼單元模擬，蜂窩壁等效為芳綸紙與兩側酚醛樹脂共3層殼單元。面板和膠膜分別采用SOLID186分層實體單元和SOLID186結構實體單元模擬。

通過設置膠膜與蜂窩的相應區域是否共節點來反映損傷和未損傷區域的不同情況。邊界條件為一端面固支，其余端面自由。最終建立的整體模型見圖2(a)，蜂窩芯細節見圖2(b)。

圖2 有限元模型

2 振動特性分析

2.1 損傷尺寸對振動特性的影響分析

損傷位置保持不變，損傷中心位于面板中心重合(Ld/L=50%)；改變損傷尺寸，研究一端固支狀態下損傷尺寸對蜂窩夾層結構振動特性的影響。前6階固有頻率計算結果如表1所示。

表1 含不同尺寸損傷結構的固有頻率 單位：Hz

圖3給出了固有頻率變化比率曲線，固有頻率變化率=(損傷結構固有頻率-無損傷結構固有頻率)/無損傷固有頻率。

圖3 不同尺寸損傷結構的固有頻率變化

圖4、圖5為部分含不同尺寸損傷結構的2階、3階振型。

圖4 含不同尺寸損傷結構的2階振型

圖5 含不同尺寸損傷結構的3階振型

上述圖表結果顯示：脫黏損傷使得蜂窩夾層結構的固有頻率降低；隨著損傷尺寸的增大，結構的剛度不斷降低，其中1階固有頻率略有下降，而2～6階固有頻率下降較明顯，但變化趨勢相同；損傷尺寸變化時，1～2階振動模態變化較小，而3～6階振動模態變化明顯。

2.2 損傷位置對振動特性的影響分析

損傷面積保持不變，固定為Sd/S=1%；改變損傷位置(沿蜂窩夾層結構的縱軸線)，研究一端固支狀態下損傷尺寸對蜂窩夾層結構振動特性的影響。前6階固有頻率計算結果如表2所示，圖6為固有頻率變化比率曲線，圖7、圖8為部分含不同位置損傷結構的3階、4階振型。

圖8 含不同位置損傷結構的4階振型

圖7 含不同位置損傷結構的3階振型

表2 含不同位置損傷結構的固有頻率 單位：Hz

圖6 含不同位置損傷結構的固有頻率變化曲線

研究結果顯示：不論脫黏損傷的位置如何，蜂窩夾層結構的固有頻率都有所降低；損傷位于結構中部時4階固有頻率最低，其余各階固有頻率隨著損傷越接近固支端而下降越明顯；同一位置損傷的各階固有頻率變化趨勢相同；損傷位置變化時，1～3階振動模態變化較小，而4～6階振動模態變化明顯。

3 結論

本文基于蜂窩芯細觀構造，建立了含不同尺寸和位置脫黏損傷的復合材料蜂窩夾層結構有限元模型，分析了損傷尺寸和損傷位置對結構振動特性的影響，主要結論如下：

1)脫黏損傷使蜂窩夾層結構的固有頻率降低；隨著損傷尺寸的增大，結構剛度不斷降低，致使固有頻率不斷降低，變化趨勢相同。

2)損傷位于中部時4階固有頻率最低，其余各階固有頻率隨著損傷越接近固支端而越低；同一位置損傷的各階固有頻率變化趨勢相同。

3)損傷尺寸變化時，1～2階振動模態變化較小，而3～6階振動模態變化明顯；損傷位置變化時，1～3階振動模態變化較小，而4～6階振動模態變化明顯。