蜂窝夹层结构埋件强度实验研究

2018-09-03徐程程

无线互联科技 2018年16期

徐程程

（中航工业直升机设计研究所，江西景德镇 333001）

1 直升机结构概述

随着直升机的发展，复合材料的使用在直升机上所占的比例也越来越大。蜂窝夹层结构作为典型复合材料的结构形式，以比其他结构更高的强度、刚度与重量的比值，拥有显著的减重效益，在直升机结构上有着广泛的应用。

在直升机结构中，蜂窝夹层结构经常被制作成各种面板，用于蒙皮、整流罩、地板等结构。蜂窝夹层结构与其他结构的连接、设备的安装，除层压区外，主要是由埋件来实现的，通过埋件将载荷传递并扩散到结构中，因此埋件的强度性能直接影响到了直升机的结构可靠性。蜂窝夹层结构上的埋件分为预埋件和后埋件两类。预埋件是在蜂窝夹层结构在固化之前用发泡胶和蜂窝芯胶接，并与面板直接胶接、共同固化所形成；后埋件是在蜂窝夹层结构固化完成之后，用数控对埋件孔位进行加工，再埋置后埋件进行固化[1]。由于工艺装配等问题，直升机上使用的埋件多为后埋件，本文通过实验的方法来研究某种蜂窝夹层结构后埋件的强度。

2 理论计算方法

蜂窝夹层结构埋件主要载荷为垂直于蜂窝面板的拉伸载荷、平行于面板的面内剪切载荷以及拉伸-剪切复合载荷。

埋件的拉伸承载能力Pt为：

埋件的剪切承载能力Qs为：

埋件受拉伸-剪切复合载荷时：

式中：b为胶的灌注半径；

tc为蜂窝芯高度；

τc为蜂窝芯的剪切强度；

c*=β/(β+1)；β=tc/tf；

tf为面板厚度；

τw为w向蜂窝芯的剪切强度；

σfy为面板的屈服强度；

c2=-0.931 714；n=0.262 866；

3 实验

3.1 实验内容

蜂窝夹层结构面板采用金属铝面板，试验件变量为两种埋件位置：埋件在试验件中心和埋件在试验件边缘；两种不同面板厚度：0.3 mm和0.4 mm；相互组合共4组试验件，即1组：面板0.3 mm，埋件在中心；2组：面板0.4 mm，埋件在中心；3组：面板0.3 mm，埋件在边缘；4组：面板0.4 mm，埋件在边缘。

试验件固定在夹具中，夹具水平固定，整体安装在实验机上，通过试验机向上加载至实验件破坏，记录实验载荷，通过改变夹具与水平面的夹角来调整载荷与试验件的加载角度，加载角度α取0°，30°，45°，60°，90°，如图1—3所示。

图1 试验件加载示意

图2 0°加载示意

图3 90°加载示意

3.2 实验结果分析

根据理论计算方法，计算蜂窝夹层结构埋件的承载能力，试验结果如表1所示，对比结果如图4所示。第1组试验件的拉伸承载能力理论计算值为5 736.56 N，试验结果为6 249.2 N，存在8.2%的误差，剪切承载能力理论计算值为7 356 N，试验结果为7 351 N，存在0.07%的误差；第2组试验件的拉伸承载能力理论计算值为6 066.73 N，试验结果为6 457.2 N，存在6.05%的误差，剪切承载能力理论计算值为7 896 N，试验结果为8 100 N，存在2.52%的误差。两组试验件的理论计算值和试验值相差不大，或略小于试验值。第3～4组试验件的理论计算值和试验值相比，拉伸承载能力误差分别为11.14%，20.59%，剪切承载能力误差分别为1.32%，4.57%。