夹层结构弯曲性能试验要求
2020-09-23肖瑾
肖瑾
（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门448035）
1 试验目的
通过对夹层结构弯曲性能的测试，进而获得材料设计许用值,为设计和分析提供试验数据。本试验选取的夹层结构的面板由T700SC-12K-50C/#2510 碳纤维编织预浸料制造，芯材为AHN4120 蜂窝和HT81 泡沫。
CCAR 23-R3 23.603（a）（b）要求零件所用材料的适用性、耐久性和工艺质量符合经批准的标准，要考虑到预期的环境条件，如温度和湿度的影响。
CCAR 23-R3 23.613（a）（b）要求材料的强度性能必须以足够的材料试验为依据，在试验统计的基础上制定设计值，且选择的设计值必须有一定的安全概率和置信度。
2 符号表
Fsyield芯子2%应变剪切强度 MPa
Fsult芯子极限剪切强度 MPa
EI 夹层梁的弯曲刚度 GPa
GZ 夹层梁的剪切刚度 GPa
Pmax试件破坏前承受的最大载荷 kN
X 给定性能在样本母体中的平均值或均值
CV 给定性能样本母体的离散系数统计量 %
Bj给定性能的B 基准值
λE 高温干态的环境影响因子
λC 低温干态的环境影响因子
ETW 高温湿态
3 试验件
3.1 批次
夹层结构的一个材料批次定义为：由一个单独批次的预浸料和一个单独批次的芯材制造而成的复合材料。根据试验的需要，一个批次的夹层结构经过一个或多个工艺循环可得到若干件试板，每个试板上可以切割出若干件试件。图1 所示为一个3×2×3 的试验件选取的示意图，即3 个批次，每个批次2 块试板，每块试板上切取3 件试样，共18 件。
图1 试件3×2×3 试件取样图
为了验证材料性能的稳定和制造工艺的稳定性，B 基准的减量取样通常需要3 个单独批次的预浸料，每批6 个试件。
3.2 试验件编号规则
试验件编号为：H1-01/A-S-R-01
"H1"：材料构型，铺层编号，"H+数字"表示蜂窝夹层结构，"F+数字"表示泡沫夹层结构，"H1+Φ8"表示带预制缺陷的直径为8mm、铺层为H1 的夹层结构，具体铺层方案及其编号见表1 和表2。"01/A":"01"表示批次，"A"表示不同的工艺循环，每批次的夹层结构应包含A,B 两个独立的工艺循环。"S":试验类型，BF（Beam Flexure）, 夹层结构的梁弯曲试验。"R":试验环境R 表示室温干态（RTD）, C 表示低温干态（CTD）, E 表示高温干态（ETD）。"01"：每块试板中裁取的试验件编号，从01 开始，依次增长。
3.3试验矩阵
某型通用飞机采用的夹层结构铺层方案和应用部位见表1，本试验试验矩阵见表2。
表1 铺层和编号清单
4 试验项目及要求
本试验依据ASTM C 393/C393M-06 标准执行，测定AHN4120 蜂窝夹层结构和HT81 泡沫夹层结构的剪切强度和弯曲刚度，评定芯子和面板的胶接质量，验证夹层结构的计算分析方法。试验矩阵见表2，具体试验内容见表3。蜂窝夹层结构选取H1 和H2 两种铺层，泡沫夹层结构选取F1 铺层。
表2 许用值试验矩阵
表3 夹层结构弯曲性能试验内容
本试验主要得到夹层梁弯曲的破坏模式，验证计算方法，不得到B 基准值。
本试验采用标准的3 点加载夹具构型，如图2 所示，支座中心线的距离是150mm。两种芯材的夹层结构试件都采用标准构型，试件尺寸为75mm×200mm 的矩形横截面。
图2 本试验采用的三点加载构型示意图
要求测量试件的变形挠度- 力曲线，以及测量试件弯曲变形中上、下面板的应变，试件尺寸，应变片的粘贴位置和挠度计的位置如图3 所示。应当把试件的真空袋侧面板放在上面，作为试验过程中承受压缩载荷的面板。
图3 试件尺寸和应变片贴片位置
5 试验要求
5.1 一般要求
5.1.1 试验涉及的所有试验夹具要求按照ASTM标准设计，并能满足适航当局的审查。
5.1.2 所有的试验方法、加载方法和步骤要求严格按照ASTM标准执行。
5.1.3 在试验以前，目视检测试件是否存在明显的损坏和劈丝。对符合质量要求的试件进行编号，测量试验件原始尺寸：测定试验件工作段任意三处的宽度b 和厚度h，取算术平均值。
5.1.4 对试件和工装夹具照相，用摄像机记录试件破坏过程。记录加载速度、载荷和位移或应变。记录试验的环境温度和湿度，记录并拍摄试件的破坏模式。所有试验都要求详细记录试件的破坏模式，要求破坏模式的照片清晰可辨，背景统一。
5.1.5 数据处理方法应按照相应的试验标准进行。试验大纲中应给出明确地试验数据处理方法，所有数据计算均需要给出平均值，数据统一以国际标准单位进行记录。
5.1.6 试验进行期间，失效模式不理想（即计量区域外失效或紧固件头部失效）和/或变异系数（CV）大于等于10%的数据组应立即进行调查（在该组试样进行其他试验前进行），以确定引起试验异常的原因，并确定是否需要重新试验。
5.2 设备要求
试验所有试验仪器设备均进行计量标定，加载设备的静载误差为±1%，位移测量设备（LVDT）精度为±1%，具有使用合格证，并在有效期内。试验单位应提供试验用到的全部设备的详细情况，包括设备的名称、规格、型号、量程、称量精度以及相应的标定合格证书。该部分信息应在试验大纲中详细说明，经双方单位同意后方可进行下一步试验。主要设备应包括：加载系统，记录系统，控制系统，摄像系统，应变测量系统等，如用到的其他特殊设备，应详细说明。
5.3 环境要求
低温干态（CTD）：温度-55℃～±3℃，“制造状态”的吸湿量。
室温干态（RTD）：温度23℃～±3℃，“制造状态”的吸湿量。
高温干态（ETD）：温度70℃～±3℃，“制造状态”的吸湿量。
5.3.1 高温试验要求
开始试验之前，应将温度箱和试验夹具预热到规定的温度。每个试件加热到试验所需的温度，并用与试件工作段直接接触的热电偶加以校验，试件达到试验温度后的2 分钟后开始试验，试件加热不应超过5 分钟。试验中，试件温度应在要求温度的±3℃范围内。
5.3.2 低温试验要求
每个试件都应冷却至所需要的试验温度，并用与试件工作段直接接触的热电偶加以校验，试件达到试验温度后的5 分钟后开始试验，试验中，试件温度应在要求温度的±3℃范围内。
6 试验程序
各个试验项目的操作步骤应严格按照相应的ASTM标准中规定的试验步骤进行，并做好试验记录。试验过程的一些基本步骤和要求如下：
6.1 试验开始前，制造符合性检查代表对试验件、试验装置和人员资格等进行检查，确保试验件和试验装置符合工程图纸和试验大纲。
6.2 测量试验件原始尺寸。
6.3 试验件与试验夹具安装时，应避免试验件由于碰撞和挤压而引起的损伤。
6.4 根据不同试验项目的要求，设定相应的试验环境箱的温度和湿度值。
6.5 试件的加持力矩，应根据不同的试验项目，依据ASTM标准，选择合适的大小。
6.6 试验中出现异常情况时，首先停止试验，做好试验现场记录，及时征求试验委托方的意见，并及时处理解决。
