低速冲击损伤对复合材料帽型加筋壁板压缩失效研究

成李南 陈向明 汪远

摘 要 本文开展了帽型加筋壁板完好试件和损伤试件的压缩稳定性试验，获得压缩载荷下帽型加筋壁板的屈曲载荷、破坏载荷和破坏模式。同时基于有限元软件ABAQUS，采用内聚力模型（CZM）技术模拟复合材料加筋壁板结构筋条-蒙皮粘接界面。模拟结果和试验结果吻合性良好，表明完好试件屈曲后结构仍具有极大地承载能力，胶层脱粘会导致快速的损伤演化，破坏载荷峰值几乎与界面起裂载荷相等；低速冲击损伤试件筋条-蒙皮脱粘极大地降低了壁板结构的屈曲载荷和破坏载荷，并导致结构失效位置发生变化。进一步研究发现截止端斜削角度从10°增加到30°，结构屈曲载荷和破坏载荷均逐渐增加。

关键词 复合材料；内聚力模型；后屈曲；加筋板；界面脱粘

ABSTRACT Non damage and with low-velocity impact damage specimen under uniaxial compression of stiffened composite panel was conducted to study the buckling load， failure load and failure modes. The interface de-bonding between stringer and skin was simulated by using the Cohesive Zone Model（CZM） in the commercial software ABAQUS. The numerical result is in good agreement with experimental one. The results indicate that： non damage specimen has comparatively large load capacity of the structure after buckling， and the interface de-bonding leads to damage evolution quickly， the load of crack initial occurred equal to failure load. Low-velocity impact damage has significant influence on the buckling load ， failure load， and failure mode. This study further shows that from 10°to 30°angles of stringer run-out， the buckling load and failure load gradually increases.

KEYWORDS composite；cohesive zone model；post-buckling；panel-stiffener；interface de-bonding

1 引言

碳纤维复合材料因比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点，已成为航空、航天、船舶等领域广泛应用的先进材料，结构整体化现已成为实现复合材料结构轻质、高效、低成本的重要途径[1]。作为一种典型的复合材料整体化结构，复合材料加筋壁板通过对层板粘接不同类型的筋条，实现其设计性强、高承载效率、轻结构重量等优点。

目前复合材料壁板大量应用于航空航天等轻量化要求较为“苛刻”的结构（例如机身、机翼和尾翼）上，而机身结构的安全性直接影响飞机的安全。受制造工艺和装配操作影响，在蒙皮和筋条界面处可能存在局部缺陷，成为开裂发生的起始部位，对其承载能力和失效行为具有显著影响，是结构完整性评估的重要内容。

复合材料结构的冲击由于其突出的工程实际应用价值，一直是国内外学术关注的热点，蒙皮和筋条之间的胶接界面通常是加筋结构的薄弱环节，其脱粘起始载荷是壁板結构设计最为关心的载荷，它的大小直接影响结构的设计载荷水平。飞机服役过程中，壁板结构在面外载荷作用下，蒙皮-筋条粘接界面的脱粘缺陷极易发生扩展，引起粘接界面大面积脱粘和层压板分层，迫使结构提前失效，对结构完整性构成威胁。研究脱粘缺陷对加筋壁板结构的破坏过程、破坏形式及其承载能力的影响，对于确保飞机安全、改进加筋壁板的结构设计以及损伤修补具有重要意义。已有的研究表明，在筋条终止端采取斜削设计的方法可以改善筋条与蒙皮的脱胶起始载荷[1-x]，但很少有对帽型加筋壁板截止端斜削角度的研究。

本文首先对冲击试件引入冲击损伤，并开展了帽型加筋壁板完好试件和损伤试件的压缩稳定性试验，获得压缩载荷下帽型加筋壁板的破坏形式、加载曲线，观测到长桁-蒙皮粘接界面的脱粘以及层合板表层的分层。同时基于有限元软件ABAQUS，采用内聚力模型（CZM）技术模拟复合材料加筋壁板结构筋条-蒙皮的脱粘，得到筋条-蒙皮的脱粘对结构失效载荷和失效模式的影响，并研究了截止端斜削角度对结构屈曲载荷和破坏载荷的影响。

2 试验件

由于壁板长桁通常在翼肋或机身框等部位终止，为模拟结构实际支持条件，本文设计两长桁终止端对称布置试验件，其尺寸如图1所示，试验件所用的材料为M21E/IMA，筋条铺层为[45/0/0/-45/90/-45/0/0/45]，蒙皮铺层[45/-45/45/90/0/90/-45/0]s，固化后单层理论厚度为0.1867mm。蒙皮长为800mm，宽为240mm，帽型长桁高32mm，共4组8件试验件，每组的2#件为冲击损伤试件，4组试件帽底和帽腰之间的夹角分别为10°、20°、25°和30°。

3 冲击损伤引入

使用落槌式冲击试验装置对每组的2#试验件引入冲击损伤，半球形冲头直径为16mm。帽型筋条和蒙皮粘接处冲击能量为35J截止值，冲击点在蒙皮面；长桁截止端处帽腰位置冲击能量为3J，冲击点位于帽腰中心位置；为模拟实际受力情况，本文设计支持框架，对试件实施面外支持，试验件冲击具体位置如图2所示，冲击损伤后典型无损检测结果如图3所示。

无损检测显示：截止端斜削区帽腰的冲击对筋条帽腰处造成局部分层，分层区域面积最大在20×10mm2，未见长桁蒙皮脱粘。蒙皮面侧长桁与蒙皮粘接面的冲击在蒙皮上造成分层，分层面积最大30×25mm2，凹坑深度多0.12mm，冲击点侧凸缘与蒙皮粘接界面的脱粘，脱粘面积最大为140×25mm2，同时引起另一侧凸缘与蒙皮粘接的脱粘，脱粘面积最大为83×25mm2。详细记录结果如表1所示。

4 帽型加筋壁板压缩试验

4.1 试验方法

在试验件上的典型位置粘贴应变片，筋条面应变片编号和粘贴位置如图4所示，粘贴位置分为A、B、C、D四个截面，蒙皮面背靠背对应位置应变片编号+1000。例如，筋条面A截面应变片编号1001，对应蒙皮面应变片编号为2001。

复材帽型加筋壁板在ZWICK Z2000E压缩试验机上进行试验。在壁板蒙皮侧边自由端布置侧边支持夹具，防止侧边出现失稳等非预期破坏；同时在截止端对接框处采用专用侧向随动支持夹具模拟框简支支持。试验时首先调正压心，在低载进行调试后完成正式试验，试验件安装支持状态如图5所示。进行压缩破坏试验时，以5kN为一级加载，加载至30kN卸载，检查夹具、加载设备和测量仪表的工作状态，然后以5kN为一级加载至80kN，随后以2kN为一级逐步加载至结构破坏。

4.2 完好试件试验结果

本文中所有完好试件的试验现象类似，由于截止端处斜削角度不同导致加筋壁板结构屈曲载荷和承载能力不同，所有完好试件的屈曲载荷和破坏载荷如表2所示，故以Com-A-20-1试件为例，图6为Com-A-20-1试件试验过程中载荷-应变曲线，从中可以看出，试验加载初始阶段应变随载荷线性增大，当加载到55kN时，D截面1408#应变片及背靠背2408X#应变片（位于筋条端部蒙皮部位）斜率发生变化，表明结构发生了局部屈曲，波形位于截止端处蒙皮区域；继续加载，未发现试件出现异常情况，当加载到213kN～217kN时，试验过程中可听到清脆响声，D截面1404#应变片和1412#应变片（位于截止端筋条凸缘上）斜率变为0，1412#应变片应变反向变化，此处载荷由蒙皮承受，可观察到截止端处筋条凸缘-蒙皮脱粘，1204#应变片和1212#应变片斜率并没有发生变化，说明脱粘只发生在截止端头处，脱粘后截止端处蒙皮屈曲波长变大，截止端头处蒙皮沿试件宽度方向被折断，结构在高压缩载荷下迅速发生失稳破坏。

完好试件承受轴压载荷后破坏形式如图7所示，完好试件试验中首先会在截止端蒙皮面处观察到蒙皮屈曲，试件蒙皮向长桁反方向鼓包，屈曲失稳后试件没有立即发生破坏，并且能够继续承载，说明复合材料加筋板存在后屈曲过程；随着载荷继续增大，裂纹首先发生在筋条-蒙皮粘接面截止端头处，并沿筋条扩展，脱粘后截止端处局部抗弯模量降低，原来筋条承受的载荷逐步转移到蒙皮，蒙皮继续屈曲变形，随后，截止端处蒙皮在很小的载荷范围内快速发生坍塌破坏，完好试件截止端处胶层彻底脱粘如图8所示。

4.3 损伤件试验结果

本文中所有损伤件的试验现象类似，屈曲载荷和破坏载荷基本相同，所有损伤件的屈曲载荷和破坏载荷如表3所示。故以Com-A-30-2试件为例，图9为无损件试验过程中载荷-应变曲线，从图中可以看出，试验加载初始阶段应变随载荷线性增大，当加载到30kN时，D截面1408#应变片及背靠背2408#应变片（位于筋条底部蒙皮中心）和C截面1215#应变片及背靠背2215#应变片（位于蒙皮部位）出现拐折，表明结构发生了局部屈曲，波形位于截止端到冲击引起的脱粘处的蒙皮区域；在加载到90kN后，C截面1215#应变片及背靠背2215#应变片（位于蒙皮部位）斜率出现突变，试件发出连续响声，发现应变片附近缘条与蒙皮间胶接界面出现脱粘损伤。加载到97kN，试验过程中可听到连续清脆响声，A截面1001#应变片及背靠背2001#应变片（位于蒙皮面）和B截面1101#应变片及背靠背2101#应变片（位于蒙皮面）斜率突然变大，发现脱粘损伤沿长桁扩展至应变片附近缘条与蒙皮间胶接界面；筋条彻底失去承载能力，灌封端处蒙皮在高压缩载荷下迅速发生失稳。

冲击损伤试件承受轴压载荷后破坏形式如图10所示，加载到一定载荷后，观察到含损伤试件在从截止端到冲击引起的脱粘位置处蒙皮屈曲，试件蒙皮向长桁反方向鼓包，随着载荷继续增大，筋条缘条-蒙皮脱粘逐渐向加载端扩展，并伴随着连续的清脆响声，蒙皮承载继续增大，筋条凸缘与蒙皮彻底脱粘失效后，筋条和蒙皮分开，原来筋条和蒙皮共同承载的高稳定性结构被破坏，加筋壁板承载能力迅速下降，并最终发生破坏。

总结发现，不论是无损件还是冲击损伤件，试验件的破坏载荷远远大于屈曲载荷，说明本文研究的帽型加筋壁板结构具有较强的后屈曲承载能力，在工程应用时应充分利用该种结构的优势。

5 影响因素分析

5.1 冲击损伤影响

完好试件和含损伤件试验和有限元计算载荷-位移曲线如图11所示，可以看出，含损伤件刚度小于完好试件，主要原因是蒙皮面冲击损伤引起了截止端处筋条凸缘-蒙皮粘接面一定范围的脱粘，该脱粘导致结构弯曲刚度降低，与完好试件相对比，蒙皮屈曲波长增大至筋条-蒙皮脱粘处，初始屈曲载荷降低了约53%，筋条凸缘-蒙皮粘接面面外剥离应力增大，致使结构弯曲刚度下降，限制了结构后屈曲承载能力，使结构平均破坏载荷降低了43%。

试验后对试验件进行无损检测，发现蒙皮面冲击损伤导致的蒙皮分层未见扩展，截止端帽腰处的冲击损伤引起的分层未见扩展，说明加筋壁板结构承载能力和刚度下降主要是由界面脱粘引起的，蒙皮處分层和截止端帽腰处分层对结构失效基本没有影响。

5.2 截止端斜削角度影响

采用单一变量法对截止端斜削角度的影响进行研究，选取4组完好试件，斜削角度分别为10°、20°、25°、30°，完好试件的破坏载荷与筋条-蒙皮脱粘载荷基本相同，因此用破坏载荷代替脱粘载荷，破坏载荷随角度变化如图12所示。

由于截止端斜削造成斜削截面抗彎模量降低，压缩载荷下反而会使端头的局部弯曲加剧，随着长桁截止端斜削角度从10°到30°，屈曲载荷和破坏载荷随着斜削角度增加而增大。

6 结语

通过对考虑冲击损伤和截止端斜削角度复合材料帽型加筋壁板在压缩载荷下的分析和实验验证，得到如下结论：

（1）采用cohesive单元可以很好的模拟复合材料加筋壁板界面脱粘；

（2）翼缘-蒙皮胶层脱粘是导致加筋壁板结构失效的主要原因，并导致加筋壁板快速的损伤演化并失去承载能力；

（3）冲击损伤引起的截止端处翼缘-蒙皮粘接面的脱粘，极大地降低了壁板结构屈曲载荷和破坏载荷；

（4）随着截止端斜削角度减小，蒙皮过早屈曲导致翼缘-蒙皮粘接面面外剥离应力增大，同时结构弯曲刚度下降，进而限制了结构后屈曲承载能力；

（5）本文研究对需考虑冲击损伤的加筋壁板结构设计和截止端结构细节选型设计具有一定的参考价值。

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