缝合对泡沫夹层板剪切性能的影响

2021-07-14屈孙涛

工程与试验 2021年2期

李巍，屈孙涛

(中国飞机强度研究所，陕西西安 710065)

1 引言

复合材料缝合技术是指采用缝合线使多层织物结合成准三维立体织物或使分离的数片织物连接成整体结构的一种复合材料预制体制备技术。该技术因可以提高复合材料层间损伤容限，大大改善复合材料抗冲击性能而备受关注，近年来得到了广泛应用[1]，复合材料升降舵夹层结构壁板中常采用这种缝合技术。

为了研究缝合对泡沫夹层板剪切性能的影响，进行了一些相关的研究。许多学者发现，复合材料缝合层合板的剪切强度随着缝合密度的增加呈现先升高后下降的趋势，这是由于缝合密度过大时，纤维损伤和缝线处富脂导致应力集中明显，使得层合板的剪切强度反而有所降低。缝合密度最优值的焦点取决于层合板的铺层顺序以及缝合参数[1，2]。缝合能够显著提高层合板的Ⅰ型层间断裂韧性值，增加缝合密度，缝线强度，降低缝线的杨氏模量，增加试件的厚度及轴向刚度，均可提高试件的Ⅱ型层间断裂韧性值。缝合能够明显降低复合材料层合板的冲击损伤，提高层合板的冲击后压缩强度(CAI)。许多试验表明，合理设计缝合参数可以使层合板的CAI提高40%以上，甚至可达到400%[3-5]。

本文截取出复合材料升降舵壁板典型段进行缝合的泡沫芯子剪切试验。本试验的目的是通过测量泡沫夹芯层板的剪切强度和剪切模量，来验证缝合对夹层结构壁板剪切性能的影响。

2 材料与试验

2.1 试验材料

试验件按缝合方式分为A、B、C三组，如表1所示。缝合的针距×行距为10mm×10mm，缝线材料为Kevlar 29。试验件尺寸如图1所示。

表1 试验件分组

图1 试验件简图

2.2 试验装置及方法

泡沫夹芯层板的试验夹具及试验装置如图2所示。用砂布打毛试样两表面及加载块金属板的胶粘面，使用溶剂擦干净待粘接表面后，用胶粘剂把试样粘接在两加载金属板之间。胶接固化温度为室温。将试件安装在拉剪夹具上，然后将试件和夹具安装在试验机上。调整试验机载荷零点，再夹紧下夹具。试验机的移动夹头以不变的移动速度施加载荷，且在3min～6min内达到最大载荷。推荐的加载速度为0.5mm/min。

1、6-拉伸夹具；2、7-加载金属板；3-试样；4、8-测变形附件；5、9-变形计图2 试验装置

2.3 试验计算方法

极限剪切应力用式(1)计算：

(1)

式中，τ为芯子极限剪切应力；Pmax为破坏前的最大载荷；l为试验件长度；b为试验件宽度。

用式(2)计算有效工程剪切应变：

(2)

式中，γ为芯子工程剪切应变；u为加载板之间的瞬时位移；t为试件厚度。

用式(3)计算芯子剪切模量：

(3)

式中，G为芯子剪切模量；Δu为加载板之间的位移变化；ΔP为加载试件上的载荷变化；l为试验件长度；b为试验件宽度。

试验数据按照《聚合物基复合材料力学性能数据表达准则》(HB 7618-2013)和中国飞机强度研究所等出版的《复合材料手册》技术规范的规定进行统计处理。

3 试验结果及分析

表2给出了升降舵夹层结构壁板芯子剪切性能试验结果汇总。

表2 升降舵夹层结构壁板芯子剪切试验结果

升降舵夹层结构壁板芯子剪切性能试验中，改进的锁式缝合B组试验件的极限剪切强度比不缝合的A组试验件的极限剪切强度高8.03%，比tufting缝合的C组试验件的极限剪切强度高6.48%。改进的锁式缝合B组试验件的芯子剪切模量比不缝合的A组试验件的芯子剪切模量高43.3%，tufting缝合的C组试验件的芯子剪切模量比不缝合的A组试验件的芯子剪切模量高107.4%。

升降舵夹层结构壁板芯子剪切性能试验中，不缝合的A组试验件的破坏模式为芯子出现小裂纹，被拉坏，如图3所示；改进的锁式缝合B组试验件的破坏模式为芯子被拉断，如图4所示；tufting缝合的C组试验件的破坏模式为芯子出现大裂纹且被拉坏，如图5所示。