复合材料蜂窝斜削区在轴压载荷下的性能分析

潘 雄

（上海飞机设计研究院，上海 200232）

0 引言

复合材料蜂窝夹层结构通常由上下面板、芯材、粘接胶膜组成。由于蜂窝夹层结构具有质量轻、比强度和比刚度高、抗疲劳等优点，而广泛应用于航空航天领域。蜂窝芯材能增加材料的截面高度，进而增加夹层结构的整体弯曲刚度。但是增加截面高度带来的一个问题是难以直接与相邻的结构相连，解决的方法通常是借助使用斜削，从夹芯结构过渡到层压板结构，如图1所示。弯矩为Mx，如图2所示。载荷计算如下：

其中：

te—非蜂窝区层板厚度；

tt、tb—蜂窝区两面板厚度；

θ—斜坡角度；

R—斜坡拐角半径；

d—蜂窝区上下面板中性面距离。

图1 蜂窝结构的连接

图2 轴压载荷下蜂窝结构内力图

相关试验表明蜂窝斜削区往往是蜂窝夹芯结构受载时的薄弱部位，特别是在轴压载荷下，受载处承压板的中性轴与全高度芯层的中性轴之间存在偏心，引起附加的弯矩，造成芯材和面板的破坏或者芯材与面板脱粘。因此斜削区设计的好坏直接影响到整个蜂窝夹层结构性能。本文针对某蜂窝壁板结构的斜削区特性试验，建立有限元数值分析模型，通过引入Hashin准则和界面内聚力单元对层板破坏和粘接层的失效进行模拟，得到了其在轴压载荷的损伤特性，为结构的设计分析提供了相关依据和方法。

1 结构受力

蜂窝结构在轴向压缩载荷Nx作用下，一部分载荷Nb通过外面板传递，一部分载荷Nt通过内面板传递，由于偏心引起的

2 数值模拟和结果

2.1 模型参数

计算模型尺寸为220mm×100mm，如图3所示，蜂窝高度为15mm，斜坡角度为20°。面板采用碳纤维环氧树脂预浸料，蜂窝采用Nomex纸蜂窝。

模型中上面板的铺层为［（±45）/0/（±45）/0/（0/90）］，下面板的铺层为［（±45）/02/（±45）/02/（±45）/0/（0/90）/］s，其中铺层中单向带单层厚度为0.131mm，织物厚度为0.284mm。

图3 计算模型尺寸

2.2 有限元模型

有限元模型采用程序Abaqus建立，如图4所示。上下面板采用S4R壳单元，蜂窝芯采用C3D8R体单元，在面板和芯材之间定义厚度为0.01mm的界面单元。

图5 破坏形式对比

图4 有限元模型

2.3 仿真结果

仿真时，在模型的一端施加固支约束，另一端施加位移载荷。根据图5仿真结果可以看出粘接元在结构斜坡区有失效，说明在斜坡区面板和蜂窝有脱粘，失效形式与失效位置均与试验结果吻合较好。结构承载能力方面，仿真结果为63.8kN，试验结果为65.0kN，两者相差1.85%，吻合较好。

3 结语

通过对某蜂窝壁板结构斜削区在轴向压缩载荷下的失效特性分析，得到以下结论：（1）在结构受到轴向压缩载荷时，斜削区会承受附加弯矩，往往会发生面板和芯材脱粘，是结构的薄弱部位，在设计相应结构时要对此部位予以重视。（2）分析结果表明，本文的建模分析方法对蜂窝壁板斜削区的承载能力和结构的失效形式能很好的模拟，为蜂窝斜削区典型细节的设计和分析提供一定的参考，具有一定的工程意义。

［1］I.L.Paris.Characterization ofComposites Sandwich Ramp Failure Under Tensile Loading［J］.Bombardier Aerospace，1998（8）.

［2］韩学群.复合材料层合板分层损伤数值模拟［D］.武汉：武汉理工大学，2010.

［3］C.Kassapoglou，Stress Determination and Core Failure Analysis in Sandwich Rampdown Structures under Bending Loads［J］.Fracture of Composites，1996（7）.