复合材料Nomex蜂窝夹芯结构的平压试验研究*

2020-11-11高维成

航空制造技术 2020年17期

刘玥，刘伟，华洲，高维成

（1.哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001；2.上海机电工程研究所，上海 200233）

蜂窝夹芯结构具有轻质化、耐冲击的优越性能，因此被广泛应用于航空领域。蜂窝夹芯结构经过多年发展，如今已形成以金属、碳纤维或玻璃纤维等材质为面板，以铝、Nomex 纸蜂窝为芯层的夹芯结构。Gibosn 等[1]采用解析法，对金属蜂窝的结构及力学性能进行了详细的分析。王颖坚[2]同样采用解析法，考虑了蜂窝壁板间的相互约束影响，对平压载荷下蜂窝结构的弹性屈曲进行了分析。Paik 等[3]采用试验法研究了铝蜂窝夹层结构在三点弯曲载荷下的承载特性，结果表明，蜂窝单胞壁厚的增加能够提高蜂窝夹层结构的抗压强度。Giglio等[4]采用有限元法并结合试验，以铝面板和Nomex蜂窝所构成的夹芯结构为研究对象，分析了在三点弯曲载荷下的蜂窝非线性后屈曲过程；为了评估其结构的耐撞性能，对夹芯结构的吸能性进行了分析。蔡茂等[5]采用试验和有限元方法，对铝合金蜂窝的轴向压缩吸能特性进行了评估，研究了增加胞壁的厚度和缩小边长对质量增率和吸能增率的影响。井玉安等[6]采用质量比吸能对不同规格的铝蜂窝的吸能性进行了评估。王中钢等[7]对Q215 钢蜂窝夹芯结构的吸能性进行了分析，研究结果表明该夹芯结构的抗压强度和吸能值随胞壁厚度与边长之比的增加而增大。王宏磊[8]采用试验法，以Nomex蜂窝高度15mm为研究对象，讨论了成型温度、压力以及时间对蜂窝力学性能的影响，得到了成形参数对蜂窝结构力学性能的影响规律。窦明月等[9]采用有限元法，对Nomex蜂窝高度12.7mm时在压缩载荷下的屈曲和后屈曲失效过程进行了数值模拟，对比分析了特征值法和弧长法在求解屈曲载荷和极限载荷方面的计算精度优劣。Seemann 等[10]采用有限元方法，通过引入初始缺陷构建了蜂窝结构的有限元模型，对Nomex蜂窝结构在拉伸、压缩和剪切载荷下的蜂窝失效过程进行了数值模拟分析。

目前，关于金属材质蜂窝的压缩性能的研究已经比较充分，对于单胞高度在5～10mm之间的Nomex 材质蜂窝结构压缩吸能过程及压缩机理的研究仍然不足。针对此，本文采用试验方法，研究了6mm和8mm 蜂窝高度对结构吸能性及抗压强度的影响，并对平压载荷下4个阶段的蜂窝压溃失效机理进行了分析。

1 试验及方法

参考标准ASTM-C365/C365M-05（夹芯结构平压性能试验方法）[11]，在干燥、室温23℃的环境中，采用Instron-5569 通用材料试验机，如图1所示，开展Nomex蜂窝芯层的平压性能试验，所有试件均符合标准及相关要求。试验装载平台的上压盘连接试验机的加载端头，其只能沿竖直Z方向移动加载；下固定底盘连接试验机的支持端，Nomex蜂窝夹芯结构放置于固定底盘上。加载平台将压缩载荷垂直施加于试件，位移加载过程中，加载速度为0.2mm/min，试验数据自动采集速率为10个/s。激光伸长计（EIR-LE-05）用于测量Nomex蜂窝芯试样沿加载方向的位移变形，当加载至蜂窝芯层进入堆叠密实阶段时，试验即停止，此时加载位移达到5mm。

图1 平压试验加载示意图Fig.1 Diagram of test loading under compression load

试验件通过热压罐工艺制成[12-13]，上下面板与芯层之间由0.203mm 厚的黏合带进行黏接。上下面板为CYCOM970 复合材料[14]，面板的铺层顺序为[±45/±45/core]s，厚度为0.216mm/层。蜂窝芯层为HRH-10-1/8-3.0，根据芯层高度对试件进行分类，CA6系列试验件的芯层高度为6mm，CA8系列试验件的芯层高度为8mm。蜂窝芯层采用杜邦公司生产的NomexT412芳纶纸制成[15]，其弹性模量为4000MPa，极限强度为90MPa。芯层结构中的蜂窝单壁厚为0.063mm，双壁厚为0.126mm，其构型如图2（a）和（b）所示。将试验件制备成50mm×50mm的正方形，具体尺寸和铺层参数见表 1。在平压试验中面板与夹具均视为刚体，不考虑其变形与破坏。两种类型的试验件各4件，其L/W两个方向的截面示意如图2所示。

2 试验结果与讨论

观察试验所获得的载荷-位移曲线（图3）可以发现，芯层高度6mm和芯层高度8mm的试验件的载荷均是达到极值点之后，瞬间下降45%左右，但是此时试件并没有完全丧失承载能力，芯层慢慢地趋于致密化；在此过程中，载荷随加载位移的增加呈现小幅度上升趋势。图4给出了两种蜂窝走向的试验件CA8 在试验加载过程中的变形过程，结合载荷-位移曲线，分为4个阶段对蜂窝单胞的压溃失效机理进行详细分析[16]。

2.1 弹性阶段

当加载范围在0～0.18mm时，蜂窝芯层的变形处于线弹性阶段，蜂窝胞壁的变形量较小。由载荷-位移曲线（图3）可见，随着加载位移的增加，载荷呈线性增大。

2.2 压溃阶段

在0.19～0.5mm范围内加载位移时，蜂窝胞壁出现了皱曲变形，同时伴随Nomex 纸皱折的声响，这表明蜂窝胞壁发生了屈曲，屈曲过程中伴随能量的平衡转变，由变形能转变成声能，蜂窝夹芯结构已发生失稳。由载荷-位移曲线（图3）可以发现，结构变形已经进入非线性阶段。当位移加载至0.22mm 左右时，Nomex 纸皱折的声响加大，蜂窝胞壁单壁厚出现褶皱，载荷在到达极值点之后快速减小，蜂窝芯层被压溃。继续增大加载位移至0.5mm左右时，蜂窝褶皱呈堆叠状态；观察载荷位移曲线图可以看到，在该范围内，随着加载位移的增大，载荷的变化幅度很小，这表明蜂窝还具有一定的承载能力。

2.3 皱曲阶段

蜂窝被压溃后，随着载荷的增加，在0.5～3mm的位移加载范围内，蜂窝的变形处于皱曲阶段。在该阶段，蜂窝并没有完全丧失承载能力，其内部重新调整受力状态，结构处于不稳定平衡状态。蜂窝芯层发生了整体皱曲变形（图4），皱折堆叠变形更为明显，蜂窝胞壁出现了严重的褶皱和折叠。随着蜂窝胞壁堆叠的逐渐致密，载荷开始呈缓慢上升趋势。

2.4 密实阶段

图2 复合材料蜂窝夹芯结构试验件示意图Fig.2 Schematic diagram of composite honeycomb sandwich structure specimens

通过图4可以看到，在密实阶段，蜂窝胞壁呈现堆叠状态；且随着载荷的增加，蜂窝胞壁堆叠逐渐达到致密点，蜂窝载荷-位移曲线呈现上升状态（图3）。当位移加载至5mm时，两类试件均被压至破碎致密状态，蜂窝芯胞已经完全失去了原本的构型。

图3 试验件载荷-位移曲线Fig.3 Load-displacement curve of specimens

表1 试验件几何尺寸Table1 Geometric dimensions of specimens

由前述平压试验得到的Nomex蜂窝结构的载荷-位移（P-u）曲线，可以提取得到线性阶段的曲线斜率和极限强度等重要数据，进而可由式（1）求得平压强度和剩余强度。根据ASTM-C365 试验标准，平压极限强度的表达式为：

式中，Pmax为极限载荷；A为试件的横截面积；平压刚度的表达式如下：

式中，ΔP/Δu为载荷-位移曲线线性段的斜率（范围在25%～50%）；tc为蜂窝芯层高度。统计数据为：

受面外压缩载荷作用时，Nomex蜂窝的失稳是由蜂窝单壁厚的胞壁局部屈曲引起的，由此导致了蜂窝结构的整体失稳。由式（1）和（2）可得各试件的Nomex蜂窝芯层的平压强度和平压刚度等性能参数，具体结果如图5和图6所示。图5为试验获得的Nomex蜂窝的平压强度，对比两类试件的试验结果（表2）可知，CA6系列试件的平压强度平均值为2.147MPa，CA8系列试件的平压强度平均值为2.098MPa，CA6 试验件比CA8试验件的平压强度高2.34%，表明6mm高的蜂窝芯层比8mm高的蜂窝芯层的抗失稳能力略强；CA6试件的剩余强度平均值为0.981MPa，CA8试件的剩余强度平均值为0.979MPa，两类试件差距不大。图6为试验获得的Nomex蜂窝平压刚度，CA6系列试件的平压刚度平均值为128.638MPa，CA8系列试件的平压刚度平均值为124.033MPa，试件CA6 比CA8 高3.71%，这表明蜂窝芯层高度为6mm时抗变形能力比8mm时抗变形能力强。通过载荷-位移曲线图可知，当载荷达到极值点后，蜂窝单胞处于皱曲屈服状态，并逐渐趋于堆叠状，结构还有一定剩余强度。对比图7所示平压载荷下两类试件的Nomex蜂窝极限强度和剩余强度可知，CA6系列试件的剩余强度占其极限强度的百分比为45.69%，CA8系列试件的剩余强度占其极限强度的46.66%；这表明在蜂窝压溃失稳后，8mm高的蜂窝芯层的承载能力后屈曲能力强于6mm。根据式（3）和式（4）进行离散系数分析可知，试验中CA6系列试件平压强度的离散系数为11.954%，剩余强度离散系数为3.596%；CA8系列试件的平压强度离散系数为9.491%，剩余强度离散系数为4.485%；两类试件试验结果离散系数均较小，符合试验标准。

图4 平压试验件中蜂窝芯层损伤变形图Fig.4 Damage and deformation diagram of honeycomb core in flat compression test specimens

图5 Nomex蜂窝的平压强度试验值Fig.5 Compressive strength of Nomex honeycomb core（experiment）

图6 Nomex蜂窝的平压刚度试验值 Fig.6 Compressive stiffness of Nomex honeycomb core（experiment）

图7 平压载荷下Nomex蜂窝极限强度与剩余强度对比Fig.7 Comparison of ultimate strength and residual strength of Nomex honeycomb under compression load

图8 Nomex蜂窝结构的吸能性对比Fig.8 Comparison of energy absorption of Nomex honeycomb structure

表2 蜂窝芯层基本能力学性能试验结果汇总Table2 Summary of Nomex honeycomb basic performance test results

Nomex蜂窝受到面外压缩载荷作用时，结构中出现了大变形，当结构无法吸收更多能量时，结构发生塑性变形或坍塌。通过对试验所获得的载荷-位移曲线进行积分[17-18]，可获得用于评估蜂窝夹芯结构的能量吸收性能的参数，其表达式为：

图8为6mm和8mm 芯层高度的蜂窝夹芯结构的吸能性对比，可以发现，当位移加载至0.2mm 左右时，曲线出现较大的波动，说明蜂窝发生局部屈曲失稳。随着载荷的增加，蜂窝胞壁出现大变形，此时能量吸收速率增大。可以看出试件CA6的吸能速率大于试件CA8的结构，说明蜂窝芯层为6mm 结构的比吸能性强于8mm。