成型工艺对复合材料帽型加筋板轴压特性的影响

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(航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089)

纤维增强复合材料因其比强度和比刚度高、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀等许多优异特性，近年来被广泛运用到飞机结构设计中[1-2]。飞机机翼机身结构多为加筋结构，加筋结构主要破坏模式是丧失稳定性。Ovesy等[3]使用有限条素法对加筋结构稳定性进行了研究，Stamatelos等[4]针对加筋结构的局部失稳问题进行了研究。复合材料加筋板在局部失稳后仍具有较强的承载能力，即后屈曲承载，研究表明，充分利用加筋板后屈曲承载能力可以大幅提高结构承载效率[5-6]。加筋板筋条形式常采用易成型的T型、Z型及I型等，随着复合材料成型技术的发展，尤其是以共固化和共胶接为核心的大面积整体成型技术的发展使得成型更复杂形式加筋板得以实现[7]。相对于其他筋条结构形式，帽型筋具有结构稳定性好，传递周向载荷效率高的优点，是机身段等筒状结构部件的首选[8]。Mo等[9]对帽型加筋曲板进行了实验和数值模拟研究，分析对比蒙皮曲率和厚度以及筋条间距对结构稳定性的影响，并给出修正后的工程简化算法。张弥等[10]对共固化工艺和二次胶接工艺成型的I型复合材料加筋板进行了四点弯曲实验，研究结构脱粘性能及破坏机理。Kim等[11]对不同工艺成型帽型加筋板进行了拉拔实验，分析对比了共固化、共胶接和二次胶接成型加筋板工艺稳定性以及拉拔强度。

工程中加筋壁板实际承载时受到各种约束，包括翼肋和隔框的周向限制以及长桁和梁的轴向约束等，尤其是翼肋支撑使得加筋板两端面介于简支和固支约束之间[12-13]，对此类约束下加筋板的轴压特性国内外均缺乏研究。随着复合材料成型工艺的发展，亟须对不同工艺成型加筋板承载特性进行研究。本工作通过专用夹具模拟翼肋支撑限制帽型加筋板两加载端，同时侧边受到简支约束，实验研究成型工艺对帽型加筋板轴压特性的影响。

1 实验

1.1 实验对象

实验选用的复合材料加筋板为典型的三筋条结构形式，筋条剖面为帽型，实验件基本尺寸如图1所示，实验件两端各有一长为50mm的灌封区，避免实验过程中端部压溃。实验件共4组，每组3件，前3组均为二次胶接成型加筋板，筋条形式如图2(a)所示，其中第2组与第1组相比主要是蒙皮厚度减小，第3组与第1组相比不含PMI填充泡沫；第4组为共固化成型加筋板，结构与第1组相同，筋条形式如图2(b)所示。

图1 实验件示意图Fig.1 Schematic diagram of the specimen

图2 帽型筋条截面 (a)二次胶接加筋板筋条；(b)共固化加筋板筋条Fig.2 Stiffener section of hat-stiffened panels(a)stiffener of secondary bonded panels;(b)stiffener of co-cured panels

实验件采用T300/BA9913预浸料制备，固化后单层厚度为0.125mm。各组铺层信息及详细特征如表1所示。

1.2 实验方法

实验采用WAW-2000A型电液伺服万能试验机进行加载，实验中固定加载速率为1.0mm/min。图3所示为模拟翼肋支撑作用，在距实验件中心上下各200mm处施加简支支撑。为满足支撑要求，设计上下两副完全相同的实验夹具：在筋条一侧使用4段可独立拆卸的分离式支撑刀口限制蒙皮面外位移，在另一侧使用连续圆弧形支撑刀口约束蒙皮的离面位移。距实验件左右两侧边12mm使用专用夹具提供简支约束，夹具设计为活动U型铝槽内套活动钢制圆弧形垫块，可保证整个压缩过程中侧边完全受到约束。为保证压缩传载均匀，在试验机上压盘与实验件间设计一梯形等强梁，将压盘区域的载荷均匀地施加在实验件灌封区。对实验件支撑刀口间重点位置布置应变计,监测实验过程中的局部屈曲，应变计布置如图1所示。图1中筋条之间蒙皮区域正反两侧(括号内编号为无筋条一侧)均布置应变计,监测蒙皮失稳情况，而在帽型筋条斜边对应位置也布置应变计,监测筋条压缩失稳情况。实验过程中及时记录实验声响，辅助分析结构渐进损伤，实验后对破坏位置进行剖面切割，观测断面分析结构破坏机理。

表1 4组实验件特征与铺层Table 1 Feature and ply sequence of four groups

图3 实验加载系统和夹持系统Fig.3 Loading system and clamping system of test

2 结果与讨论

2.1 破坏过程及破坏模式

在承受轴压载荷过程中,4组加筋板具有相似的变形破坏过程，在加载起始阶段，载荷随压缩位移线性增加，直至蒙皮出现局部失稳，结构进入后屈曲承载阶段。在这一阶段内，随着载荷的增加可以听到不同的声响，表明结构内部出现损伤，蒙皮失稳变形增大，结构主要依靠筋条承载，随后筋条折断，结构失去承载能力。二次胶接成型加筋板具有相似的破坏模式如图4所示，共固化成型加筋板破坏模式如图5所示。分析对比图4和图5可知：损伤位置均在实验件上下支撑刀口处及其附近，破坏后3根筋条全部折断；蒙皮横向折断，且伴随部分碎片脱落，断口附近蒙皮分层严重；对于二次胶接成型加筋板，筋条蒙皮之间出现大面积分离，而共固化成型加筋板筋条和蒙皮折断更彻底，破坏更严重，蒙皮完全横向折断。各组实验件失稳载荷及破坏载荷统计如表2所示。

图4 二次胶接加筋板典型破坏模式 (a)蒙皮开裂；(b)脱粘Fig.4 Typical failure mode of secondary bonded stiffened panels(a)skin crack;(b)debond

2.2 蒙皮厚度影响

实验中由于第1,3和4组实验件结构尺寸相同，表现出相似的应变曲线，图6所示为第1组实验件典型载荷应变曲线，图7所示为第2组实验件典型载荷应变曲线。加筋板在蒙皮失稳前，蒙皮应变随载荷线性增加，蒙皮失稳时明显可见蒙皮两侧对应位置应变曲线发生分岔；而筋条应变直至结构破坏均保持线性增加，表明加筋板结构在蒙皮失稳后主要依靠筋条承载。结合表2失稳载荷及破坏载荷分析可知，与第1组相比，蒙皮较薄的第2组具有更长的后屈曲承载阶段，蒙皮厚度减小0.5mm，即厚度减小22%，失稳载荷降低45.3%，破坏载荷降低33.6%。工程上对于承受压缩载荷的加筋板，筋条间蒙皮可近似为四边受到约束的层合板，结构弯曲刚度与蒙皮厚度的三次方相关[14]，故加筋板结构蒙皮失稳载荷受蒙皮厚度影响显著，而胶接成型加筋板破坏通常是由筋条蒙皮脱粘引起，蒙皮的失稳变形加剧了脱粘扩展。

图5 共固化加筋板典型破坏模式 (a)筋条折断；(b)蒙皮开裂Fig.5 Typical failure mode of co-cured stiffened panels (a)stiffener fracture;(b)skin crack

GroupManufactureBucklingload/kNCoefficientofvariance/%Ultimateload/kNCoefficientofvariance/%1SecondarybondingwithPMIfoam4302．23548．91．992SecondarybondingwithPMIfoam2353．01364．55．893SecondarybondingwithoutPMIfoam3951．27542．64．564Co⁃curingwithPMIfoam3554．15450．11．73

图6 第1组实验件典型载荷应变曲线 (a)蒙皮应变；(b)筋条应变Fig.6 Typical results of strain with load for the first group (a)strain on the skin;(b)strain on the stiffener

图7 第2组实验件典型载荷应变曲线 (a)蒙皮应变；(b)筋条应变Fig.7 Typical results of strain with load for the second group (a)strain on the skin;(b)strain on the stiffener

2.3 填充泡沫影响

泡沫材料是闭孔结构，具有较低的吸水率，且能有效避免筋条侧壁产生失稳而导致结构过早破坏而被广泛用作帽型筋条填充物，中等密度的PMI泡沫材料具有较好的抗压缩蠕变性能，能够辅助复合材料帽型加筋板的固化成型[15]。图8所示为第1组和第3组加筋板失稳载荷及破坏载荷统计图，可知填充泡沫能小幅度提高结构稳定性，但对结构承载能力无显著影响，这是因为两组加筋板结构直至破坏筋条均未出现失稳，用于防止筋条侧壁失稳的填充泡沫并未影响到结构承载。

图8 填充泡沫对结构稳定性及承载能力的影响Fig.8 Effect of PMI foam on the structure stability and carrying capacity

2.4 成型工艺影响

二次胶接成型尺寸稳定性好，工艺简单但成型昂贵，而共固化成型方法因为是一次整体成型，减少了热压罐的使用次数，显著降低了制造成本。共固化成型不使用胶黏剂，制造出来的构件质量轻，构件变形量小。图9所示为蒙皮厚度相同的两种工艺成型加筋板轴压结果对比，第4组共固化成型加筋板失稳载荷仅为第1组二次胶接加筋板的82.6%，破坏载荷仅为82.0%。图10所示为两种工艺加筋板破坏后筋条转角处典型断面图，结合图2筋条剖面分析，可知二次胶接加筋板破坏主要是筋条蒙皮脱粘引起，而共固化加筋板成型复杂，筋条下缘与蒙皮融合，减小了结构的有效厚度，使得结构弯曲刚度下降，筋条承载能力降低，结构破坏时筋条与蒙皮界面分层，蒙皮内部分层严重。且第4组轴压实验中，在350kN左右明显听见结构撕裂声响，而第1组加筋板在500kN左右才明显听见声响，表明共固化加筋板比二次胶接加筋板较早出现损伤。

图9 成型工艺对结构稳定性及承载能力的影响Fig.9 Effect of forming process on the structure stability andcarrying capacity

3 结论

(1)蒙皮厚度对加筋板稳定性及承载能力有显著影响。蒙皮厚度减小0.5mm，失稳载荷降低45.3%，破坏载荷降低33.6%。

图10 两种工艺加筋板典型筋条转角处断面图(a)二次胶接加筋板典型断面图；(b)共固化加筋板典型断面图Fig.10 Typical fracture section in the corner of stiffener for two types of manufacture(a)typical fracture section of secondary bonded stiffened panels;(b)typical fracture section of co-cured stiffened panels

(2)PMI填充泡沫能小幅度提高结构稳定性，但对结构承载能力无显著影响。

(3)相同蒙皮厚度的共固化成型加筋板失稳载荷仅为二次胶接加筋板的82.6%，破坏载荷仅为82.0%。

(4)二次胶接加筋板破坏主要是筋条蒙皮脱粘引起，而共固化加筋板破坏与筋条蒙皮界面分层以及蒙皮内部分层损伤相关，且共固化加筋板比二次胶接加筋板较早出现损伤。

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