湿热环境对复合材料加筋板压缩性能的影响

冯 宇，何宇廷，邵 青，张 腾

（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（以下简称复合材料）加筋板是航空领域中广泛应用的一种结构，服役环境对复合材料加筋板的力学性能影响较大，直接关系到航空器的使用安全。国内外对复合材料在湿热环境中的性能变化有大量研究［1-5］，普遍认为湿热环境会引起材料力学性能的下降。复合材料加筋板的结构稳定性分析一般采用经典的线性屈曲理论，很多研究者认为当结构发生屈曲时，结构从平衡状态发生突变，随之变形无限大而丧失承载能力［6-9］；而实际情况是结构在发生屈曲以后并没有完全破坏，仍旧具有很大的承载能力，即有一定的后屈曲强度［10］。目前，有关湿热环境对复合材料加筋板结构压缩性能影响的研究较少。为此，作者通过复合材料湿热试验和压缩试验，研究了湿热环境对复合材料压缩性能的影响，希望为该复合材料在航空工程中的应用提供有益参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为由蒙皮和筋条组成的纤维增强树脂基复合材料加筋板，筋条间距为150mm，长桁截面为工字型（上宽30mm，下宽60mm，高40mm），蒙皮材料和筋条材料为单向带5228A/CCFXXX，单层厚度为0.125mm，蒙皮铺层方式为［45/45/0/0/0/-45/90/45/45/0/0/0/-45/90］s，厚3.5mm，筋条铺层方式为［0/0/45/0/0/-45/90/45/0/0/-45］s。试样尺寸为600mm×820mm，两端适当延长，端部进行灌胶处理，作为其加载段，如图1所示。试样一共4件，其中2件试样湿热吸湿后进行压缩试验，编号为环境压缩-1、环境压缩-2；另2件试样直接进行压缩试验，编号压缩-1、压缩-2。

图1 加筋板试样示意Fig.1 Sketch of stiffened panel

1.2 试验方法

首先在烘干机内将试样完全烘干，然后置于环境箱里在70℃恒温水浴的湿热环境下达到吸湿平衡（即试样质量不再增加）。在试样上典型位置粘贴应变片，筋条面101个，蒙皮面53个，粘贴位置和编号如图2，3所示。压缩试验在 WAW-3000B型结构试验平台上进行，试样一边固定，一边加载，试验装置示意见图4，试验采取分级加载的方式，每级载荷为2kN，每级加载结束后采集应变值。压缩过程中的应变值测试使用SDY2206型静态电阻应变仪。另外，吸湿后试样的压缩试验在75℃，90%相对湿度的环境箱中进行。

图2 筋条面应变片编号Fig.2 Number of strain gages on stiffener plane

2 试验结果与讨论

2.1 普通加筋板的压缩性能

图3 蒙皮面应变片编号Fig.3 Number of strain gages on skin plane

图4 试验装置示意Fig.4 Sketch of experiment method

压缩过程中，当加载至450kN时，普通加筋板试样（以压缩-1试样为例）内部开始发出轻微的响声；当载荷增加载至550kN时，试样出现失稳现象；加载至860kN时，试样发出的响声增大，持续30s后仍能继续承载；当加载至960kN时，试样突然发出巨大的响声，筋条与蒙皮随即开裂，一侧夹持板被震脱开，试样发生破坏，不能继续承载，破坏形式如图5所示，主要是蒙皮撕裂和筋条的断裂。

取普通加筋板中间截面蒙皮上所有应变片的应变值绘出载荷-应变曲线，如图6所示。从图6可见，在加载前期载荷-应变曲线呈线性增加，当载荷在550kN时载荷-位移曲线出现了分叉，说明此时加筋板的刚度发生了变化，出现了失稳情况，失稳形式主要是蒙皮的局部失稳；随着载荷不断增加，失稳现象愈加严重，当加载到960kN时，筋条出现断裂和脱粘，加筋板迅速垮塌，结构破坏。从表1可见，普通加筋板的平均破坏载荷968.25kN是平均屈曲载荷（579kN）的1.69倍，说明此加筋板有较强的后屈曲承载能力。

2.2 吸湿后加筋板的压缩性能

在压缩试验过程中，环境压缩-1试样在载荷增加至350kN时开始出现轻微纤维断裂声，加载至500kN时发出较大的响声，加载至780kN时陆续发出纤维断裂声音，加载至839.35kN试样发生破坏，4根筋条在中间偏上位置断裂，蒙皮撕裂，破坏时一侧边夹板震落。环境压缩-2试样在载荷增加至300kN时开始发出轻微纤维断裂声，加载至550kN时响声增大，加载至720kN时发出连续的纤维断裂声，加载至739.77kN时试样发生破坏，并伴随巨大响声，4根筋条在中间偏上位置断裂，蒙皮撕裂。吸湿后加筋板的破坏形貌如图7所示，也以蒙皮撕裂和筋条的断裂为主。

图5 普通加筋板的压缩破坏形式Fig.5 Compress failure modes of common stiffened panels：（a）stiffener fracture and（b）skin tearing

图6 普通加筋板不同位置的载荷-应变曲线Fig.6 Load-strain curves of common stiffened panels in different locations

表1 普通加筋板屈曲载荷和破坏载荷Tab.1 The buckling load and failure load of common stiffened panels kN

图7 吸湿后加筋板的压缩破坏形式Fig.7 Compression of failure modes of the stiffened panels after adsorbing moisture：（a）stiffener fracture and（b）skin tearing

取试样中间截面蒙皮上所有应变片的应变值绘出载荷-应变曲线，如图8所示。从图中可以看出，载荷-应变曲线在加载前期是线性的，在550kN左右载荷-应变曲线出现分叉，说明此时加筋板的刚度改变，出现了失稳。当加载载荷达到739kN时，筋条出现脱粘与断裂，加筋板迅速破坏。从表2可见，吸湿后加筋板的平均破坏载荷（782.1kN）是平均屈曲载荷（525kN）的1.49倍，相比普通加筋板其后屈曲承载能力下降了11.8%。

图8 吸湿后加筋板不同位置的载荷-应变曲线Fig.8 Load-strain curves of the stiffened panels after adsorbing moisture in different locations

表2 吸湿后加筋板的屈曲载荷和破坏载荷Tab.2 The buckling load and failure load of the stiffened panels after adsorbing moisture kN

比较普通加筋板和吸湿后加筋板的屈曲载荷和破坏载荷可知，湿热环境吸湿对复合材料加筋板的屈曲载荷影响并不显著，吸湿后加筋板的平均屈曲载荷是普通加筋板的91.6%，仅下降了8.4%；而它对破坏载荷影响较大，吸湿后加筋板的平均破坏载荷是普通加筋板的80.8%，下将了19.2%。

3 结 论

（1）复合材料加筋板在压缩载荷作用下失稳的形式主要表现为筋条间蒙皮的屈曲；破坏形式主要是筋条的脱胶、断裂和蒙皮的撕裂；筋条起主要承载能力，筋条的破坏会使试样承载能力迅速降低。

（2）湿热吸湿后的加筋板在压缩载荷作用下仍存在后屈曲过程，但湿热吸湿使加筋板的屈曲载荷下降了8.4%，破坏载荷下降了19.2%。

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