复合材料蜂窝夹芯结构的低速冲击试验设计

2021-10-08 08:21:20王安文

工程与试验 2021年3期

王安文，潘亮

(1.西安爱生技术集团有限公司，陕西西安 710065；2.陆军装备部驻西安地区军事代表局驻南阳地区第二军事代表室，河南南阳 473000)

1 引言

蜂窝夹层结构复合材料具有一系列传统材料所不具备的优点，已成为航空、航天发展中不可缺少的材料之一。由于具有良好的比强度、比刚度以及重量轻等优点，蜂窝夹芯结构广泛应用于对重量和性能有特殊要求的航空结构中。

蜂窝夹芯结构在使用过程中，可能会受到冲击而出现损伤。飞机结构维修中工具对结构的撞击，飞机起飞、降落中砂石等对飞机结构的损伤破坏等低速冲击，可能严重降低蜂窝夹芯板的抗拉能力(拉伸破坏主要是面板断裂)，严重降低蜂窝夹芯板的抗压能力(压缩破坏导致面板的局部失稳现象)。低速冲击使蜂窝夹芯板的弯曲强度大幅度降低，在整个弯曲破坏过程中，面芯层间分层发生扩展。

研究复合材料蜂窝夹芯结构的动态力学特性及相关失效机理，对该类复合材料结构的设计与开发以及工程应用等具有重要的意义。基于此背景，为提高蜂窝夹芯结构的可靠性和使用寿命，本文通过试验方法，研究其受冲击后的损伤情况以及材料特性，为蜂窝夹芯板的结构设计、使用提供了依据。

2 试验设计

2.1 试验件设计

试验件材料使用情况见表1，复合材料蜂窝夹芯结构的尺寸为300mm×270mm，蜂窝芯斜角为20°，高度为20mm，具体尺寸如图1所示。蜂窝下面板：[45/-45/0/90/0/-45/45/0]，厚度为2.1mm。蜂窝上面板：[(0/90)/±45]，厚度为0.8mm。材料性能参数见表2-表4。

表1 试验件材料

表2 CYCOM 977-2-35-12K-HTS-268材料特性参数

表3 CYCOM 977-2A-40-6KHTA-5H-370材料参数

表4 芳纶纸蜂窝的性能参数

图1 复合材料蜂窝夹芯结构

2.2 试验设备

试验依据ASTM D 7136《测量纤维增强聚合物基复合材料对落锤冲击事件的损伤阻抗的标准试验方法》。复合材料层合板落锤冲击试验在Instron 9250落锤冲击试验机(见图2)上进行，试验机主要包括试验标准要求的支持夹具、冲击装置、冲击头、力传感器和速度采集装置等。

图2 试验装置

支持夹具如图3所示，夹具底座为至少20mm厚的铝板或钢板，板中的开口尺寸为75±1mm×125±1mm，定位销的放置应使试件与开口对中，使用4个夹子在冲击时对试件进行约束。冲击装置包括刚性底座、落锤冲击头和防二次冲击装置，冲击头的质量应为5.713kg，带有直径为16±0.1mm的光滑撞击头。

图3 冲击支持夹具

利用Instron落锤冲击试验机引入低速冲击损伤，对结构件采用17J的能量冲击，冲击结构的正中心。在冲击过程中，冲头的质量m=5.776kg、E=17J，落锤下落高度h=0.3003m，冲击初始速度v=2.41m/s。

2.3 试验过程

(1)检查试件加工质量，有无损坏和劈丝，对符合质量要求的试件编号，并存放在要求的环境中(23℃±3℃,50±10%RH)；准备好记录表格，拍照设备。

(2)测量试件的厚度、宽度和高度。厚度用0.001mm千分尺测量，在冲击部位附近垂直方向4个点测量，取其平均值；宽度用0.02mm分度卡尺测量，在冲击部位附近3处测量，取其平均值；高度用0.02mm分度卡尺测量。

(3)按照每个试件实际测量宽度和高度尺寸，确定几何中心冲击点，并标记。

(4)按照四边柔性简支固定试验件，调整位置，将试验件冲击点与冲头对准，调整试验机状态。

(5)损伤引入。输入冲击能量，进行冲击试验。

(6)数据记录。记录冲击过程中的冲击载荷-时间曲线，根据载荷得到速度-时间和能量-时间的关系。

(7)冲击损伤测量。冲击损伤后，测量凹坑深度和损伤面积。凹坑深度测量采用千分尺，在试件平面所在面正交且距冲击点25mm的4个点测量，取平均值。损伤面积采用ICS-Ⅱ型超声C扫描仪进行无损检测，记录损伤形状和轮廓尺寸。

3 试验结果分析

选择3个试验件进行冲击试验，试验件编号分别为S48-1-1、S48-1-2、S48-1-3，冲击位置为蜂窝顶面区。在冲击过程中，记录下相应的接触力-时间曲线(见图4)、挠度-时间曲线(见图5)以及相关参数。试验后，测量出凹坑深度，并利用超声C扫描仪测量出相应的损伤面积(见图6)，试验数据如表5所示。