分层损伤和完好复合材料薄壁加筋板的后屈曲承载能力及破坏形式

2013-08-16谢紫龙尚柏林尹俊杰

机械工程材料 2013年7期

谢紫龙，尚柏林，常飞，杨哲，尹俊杰

（空军工程大学航空航天工程学院，西安710038）

0 引言

纤维增强树脂基复合材料薄壁加筋板是先进飞机中应用较为广泛的一种结构，在飞机机翼和尾翼的翼面、梁腹板以及机身蒙皮上都有应用。当它们受面内压缩、剪切等载荷作用时，常见的失效模式为屈曲失稳［1］。通常，复合材料结构在屈曲以后并不会马上失效，仍旧具有很大的承载能力，即后屈曲强度较高［2］。据此对复合材料薄壁加筋板结构采用后屈曲设计是一种充分利用后屈曲承载能力的合理设计方法，有助于在保证安全的前提下减轻结构质量和节约成本，对提高经济效益具有重要意义。但是，复合材料结构在制造和使用过程中会遇到工具坠落或飞鸟、设备撞击等低能冲击，导致结构出现损伤，特别是在背面会出现较大的分层损伤，致使结构强度大幅降低［3］。因此，对复合材料薄壁加筋板结构冲击后的性能进行试验研究具有重要的工程价值。国内外学者对复合材料冲击损伤后的压缩及拉伸剩余强度进行了大量研究［4－8］，但有关分层损伤对剪切承载能力影响的相关文献还没有看到。为此，作者针对某型飞机垂尾复合材料薄壁加筋板，先通过冲击试验在蒙皮中央预制分层损伤，然后对完好试样和分层损伤试样进行剪切试验，分析了它们的结构破坏形式以及屈曲、后屈曲承载能力，以期为该结构在工程中的使用提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验所用试样为具有四根桁条的正方形复合材料薄壁加筋板结构，其中蒙皮材料为中温固化环氧碳纤维织物预浸料CF3031，桁条为“工”字型中温环氧碳纤维预浸料CCF300。试样尺寸为770mm×770mm，加筋板厚度为2.8mm，其四边设计了612mm×79mm的边框，用于与对角拉伸的夹具相连。试验采用1块完好试样（W1），3块分层损伤试样（S1、S2、S3），损伤位于蒙皮中央。

采用TANHOR自由落体落锤冲击试验台对以上复合材料薄壁加筋板预制分层损伤，冲头直径为8mm，冲击能量设定为21J。冲击时，试样四边为简支状态，冲击点为试样中心位置。蒙皮冲击损伤形貌如图1所示，冲击凹坑最大深度为1.1mm。冲击后使用IUCS－Ⅱ型便携式数字超声C扫描系统对冲击后试样的损伤区域进行探测，图2中外围浅色区域为未损伤状态，颜色深度与之不同的区域分别表示不同程度的分层损伤。

1.2 试验方法

定制的四连杆框架试验夹具由销钉连接的整体双层框架组成，每根连杆上钻有两排螺钉孔。夹具连杆有足够的刚度，防止在加载过程变形。剪切试验加载方式如图3所示，加载时四连杆框架将作用在平板的一条对角线上的拉力转换为剪切力。试样正、反面对称粘贴15×2组应变花，贴片位置见图3。除冲击点所在的中心位置外，距离冲击点位置最近的四组应变花标记为①、②、③、④。每组应变花由三个应变计组成，应变计两两之间夹角为45°，用以测量和对比研究测点不同方向的应变情况，花片中间应变计的方向与对角拉伸的拉力方向相同，定义图3中位置①处的应变计F1（R1）、F2（R2）、F3（R3）所在的方向分别为0°，90°，45°。采用 MTS多通道液压伺服系统加载设备对试样进行分级加载，先以设计载荷的5%（35kN）为级差加载至设计载荷的67%（470kN），再以设计载荷的2%（15kN）为级差加载直至破坏。通过TEST3826型静态应变测试系统测量应变，并实时记录试样上各位置的应变值。

图3 加载方式及应变片布置示意Fig.3 Loading mode and layout of strain gauges

2 试验结果与讨论

由于损伤试样在中心冲击点位置处未能布置应变花，为了探讨分层损伤对复合材料薄壁加筋板承载能力的影响，以损伤附近的测量点为研究对象，并根据加筋板结构和载荷具有的对称性，选择图3中①、②位置的测量结果进行讨论。作出W1和S1试样在①、②两个位置处应变花的应变曲线，如图4所示。

从图4（a），（b）可以看出，在开始加载阶段，W1试样正反两面对称应变计的应变值以近似相同的数值均匀变化，这表明在此阶段试样只在面内发生变形，应变曲线均在载荷约为420kN时发生分离，并在此后呈非线性变化，这说明此时应变计所处位置的加筋板发生了屈曲，此后加筋板能继续承载，直至载荷达到755kN时突然破坏，应变值在此时发生突变。据此可知W1试样的屈曲失稳载荷为420kN，未发生明显的局部屈曲；其后屈曲承载载荷为420～755kN。

以损伤试样S1为例，如图4（c），（d）所示，由其载荷－应变曲线可以看出，S1试样的整体屈曲失稳载荷为240kN，但从F5和R5这对应变计的应变曲线可以看出，在载荷为140kN时曲线已发生分离，即此时这里已发生局部屈曲。其后屈曲承载载荷为240～312kN。

图4 W1，S1试样上①和②位置处的载荷－应变曲线Fig.4 Load－strain curves of the position① and②on different samples：（a）S1sample，at the position of①；（b）W1sample，at the position of②；（c）S1sample，at the position of①and（d）S1sample；at the position of②

由表1可知，损伤试样的整体屈曲失稳载荷较完好试样的降低了50%左右，而且在较小的载荷下就可能发生局部屈曲；其后屈曲承载载荷只有完好试样的25%左右，最终破坏载荷则降低了55%左右。

表1 不同试样的局部屈曲载荷、屈曲失稳载荷、后屈曲承载载荷和破坏载荷Tab.1 Local bucking load，bucking load，post－bucking load and failure load of different samples

从图4还可以看出，在试样未发生屈曲失稳之前，各应变计的应变值随载荷增加近似呈线性增加，对屈曲之前的应变曲线进行线性拟合，可以得出各试样正面①、②两个位置处各应变计应变曲线的近似斜率，结果如表2所示。

表2 不同试样在屈曲失稳之前正面①、②两个位置处载荷－应变曲线的近似斜率Tab.2 Approximate slope of load－strain curves of the position of①and②on front side of different samples before bucking

由表2可知，在屈曲失稳之前，损伤试样上各应变计载荷－应变曲线的斜率普遍比完好试样的大，即其应变值的变化比完好试样的快，这说明分层损伤会降低复合材料薄壁加筋板的刚度。对于90°方向应变计（F3，F6）载荷－应变曲线的近似斜率，各试样的差异不大，而对于0°方向应变计（F1，F4）载荷－应变曲线的近似斜率来说，W1试样的很小，即在W1试样屈曲之前的应变变化缓慢，0°方向的应变很小，而各损伤试样与W1试样的差异较大，如在载荷同为140kN时，W1，S1，S2，S3试样的F1应变计的应变值分别为55，330，328，198。通过对比说明分层损伤会导致应力在试样内部重新分布，使结构内部应力的分布方向和大小都发生改变，从而导致结构最后的极限承载能力和破坏形式较完好试样的都有所不同。

由图5可见，由于复合材料薄壁加筋板结构以及施加的剪切载荷具有对称性，完好试样的破坏区域较为分散，各个区域的承载能力几乎都完全发挥出来，直至破坏，所以其破坏载荷、后屈曲承载能力很大。而蒙皮中央具有分层损伤的三块试样的主要破坏路径都是经过中心损伤处贯穿加筋板的蒙皮断裂，其它区域的破坏程度都较轻，其承载载荷远远低于其所具备的破坏载荷，所以中心处的分层损伤不仅会使损伤附近区域极易发生局部屈曲，还会导致加筋板过早整体破坏，从而使加筋板的屈曲失稳载荷、后屈曲承载载荷和破坏载荷都大为降低。