帶有典型缺陷的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度研究①

楊 凱，劉立武，于開平，孔祥皓

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天科學(xué)與力學(xué)系，哈爾濱 150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所，哈爾濱 150001)

0 引言

隨著空間技術(shù)的深入研究，金屬熱防護(hù)系統(tǒng)以其卓越的綜合性能逐漸成為當(dāng)前的研究熱點之一，并已設(shè)計制造出多種可重復(fù)使用的金屬熱防護(hù)系統(tǒng)［1－2］。薄壁高溫合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)因其既能滿足高超聲速飛行器對熱防護(hù)系統(tǒng)質(zhì)量與體積的要求，又能解決防熱、隔熱、承載一體化設(shè)計難題而被越來越廣泛地用于航空航天領(lǐng)域［1，3－6］。該結(jié)構(gòu)屬于格柵夾層結(jié)構(gòu)中的一類，中間層則為輕質(zhì)多孔材料中的蜂窩材料。Gibson和Ashby全面地總結(jié)了蜂窩材料的力學(xué)性能［6］，范華林等對炭纖維點陣復(fù)合材料的制備及其性能做了較為深入的研究［7－8］，盧天健等探討了多孔金屬材料的多功能化設(shè)計［9］。該結(jié)構(gòu)在制備、裝配或服役過程中可能產(chǎn)生缺陷，其力學(xué)性能受到缺陷類型、尺寸和位置等諸多因素的影響，因此仍需進(jìn)行大量的實驗來研究結(jié)構(gòu)的變形和破壞規(guī)律。

結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的測定是為了能夠判斷存在制備、裝配或服役缺陷的結(jié)構(gòu)在被檢測出來并進(jìn)行維修之前，是否具有足夠的服役能力，即為了疲勞、腐蝕或意外撞擊等形成的缺陷在導(dǎo)致災(zāi)難性破壞之前能夠被發(fā)現(xiàn)并補救。具備剩余強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)對可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的綜合要求。本文對帶有3種典型缺陷的薄壁高溫合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行側(cè)拉伸與側(cè)壓縮、平壓縮和三點彎曲等宏觀力學(xué)性能實驗，分析結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的變化規(guī)律。

1 力學(xué)性能實驗

1.1 試件制備

文中的金屬面板和蜂窩芯子材料均選用鎳基高溫合金Haynes 214，其化學(xué)成分見表1。制備過程如下:首先將Haynes 214薄壁材料用齒輪碾壓形成波紋板;然后將波紋板進(jìn)行激光點焊制成薄壁蜂窩芯子材料;最后，利用高溫釬焊將金屬面板與蜂窩芯子焊接得到所需金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

表1 Haynes 214的化學(xué)組成Table 1 Composition of Haynes 214 %

根據(jù)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)國標(biāo)的力學(xué)性能測試要求，文中側(cè)拉實驗樣件的標(biāo)距取為70 mm，寬度和厚度分別為40、4.5 mm。由于兩端各有10 mm的實體加強(qiáng)段，所以試件的實際長度為90 mm。側(cè)壓實驗樣件的標(biāo)距取為40 mm，寬度和厚度也分別為40、4.5 mm。在平壓實驗中，含穿透缺陷的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件的長、寬、高尺寸分別為40、40、4.5 mm。三點彎曲實驗樣件的跨距為80 mm，寬度和厚度分別為40 mm和4.5 mm。拉伸、壓縮和三點彎曲試件采用金屬材料加工中常見的線切割法進(jìn)行制備。

1.2 缺陷分類

由于薄壁高溫合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是通過機(jī)械連接方式與機(jī)體裝配的，所以不可避免地需要在結(jié)構(gòu)上制造宏觀缺陷。同時，高超聲速飛行器的使用環(huán)境非常惡劣，其中高速沖擊、周期性疲勞載荷及熱載荷也會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生斷裂乃至擊穿破壞。根據(jù)實際情況可將這些缺陷分為以下3種典型缺陷類型:

(1)細(xì)裂紋(Crack)缺陷:裂紋寬度遠(yuǎn)小于晶胞尺寸，且裂紋長度與晶胞尺寸相當(dāng)?shù)膶ΨQ細(xì)長型缺陷類型。

(2)孔洞(Hole)缺陷:破壞形狀為圓孔形，且半徑尺寸與晶胞尺寸相當(dāng)?shù)亩嘤蓻_擊載荷形成的缺陷類型。

(3)孔狀裂紋(Notch)缺陷:裂紋寬度尺寸與裂紋長度尺寸均與晶胞尺寸相當(dāng)?shù)膶ΨQ的半圓形缺陷類型。

帶有不同類型缺陷的部分實驗樣件如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 側(cè)拉剩余強(qiáng)度

如圖2所示，含Crack缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)拉強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈反比例函數(shù)衰減趨勢，其衰減速率逐漸降低;含Hole缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)拉強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈線性衰減趨勢，其衰減速率基本保持不變;含有Notch缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)拉強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈冪函數(shù)衰減趨勢，其衰減速率先降低，然后又略有升高。在圖3中，實線和虛線分別描繪了含Crack缺陷和含Hole/Notch缺陷結(jié)構(gòu)在側(cè)拉實驗中的強(qiáng)度下限值與損傷尺寸間的關(guān)系。

圖1 含穿透缺陷結(jié)構(gòu)的部分實驗樣件Fig.1 Samples of honeycomb sandwich structure with typical defects

圖2 含Crack、Hole和Notch缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)拉強(qiáng)度Fig.2 Lateral tension strength of samples with typical defects

圖3 側(cè)拉實驗剩余強(qiáng)度Fig.3 Residual strength of lateral tension

2.2 側(cè)壓剩余強(qiáng)度

如圖4所示，含Crack缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈正弦函數(shù)衰減趨勢，其衰減速率先升高然后又略有降低;含Hole缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈反比例函數(shù)衰減趨勢，其衰減速率逐漸降低;含有Notch缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加也呈正弦函數(shù)衰減趨勢，其衰減速率也是先升高然后又略有降低，與第一種情況不同的是其衰減速率在起始階段變化較明顯且對稱性較好。在圖5中，實線和虛線分別描繪了含Crack缺陷和含Hole/Notch缺陷結(jié)構(gòu)在側(cè)壓實驗中的強(qiáng)度下限值與損傷尺寸間的關(guān)系。

圖4 含Crack、Hole和Notch缺陷結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度Fig.4 Lateral compression strength of samples with typical defects

圖5 側(cè)壓實驗剩余強(qiáng)度Fig.5 Residual strength of lateral compression

2.3 平壓剩余強(qiáng)度

如圖6所示，實線和虛線分別描繪了含Crack缺陷和含Hole/Notch缺陷結(jié)構(gòu)在平壓實驗中的強(qiáng)度下限值與損傷尺寸間的關(guān)系。

圖6 平壓實驗剩余強(qiáng)度Fig.6 Residual strength of flat compression

在圖6中，可清楚地觀察到含Hole和Notch缺陷結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈線性衰減趨勢，其衰減速率基本上保持不變，所以它的平壓實驗剩余強(qiáng)度曲線為固定斜率的直線;而含Crack缺陷結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加衰減值極小，其衰減速率幾乎可忽略不計，以至于含Crack缺陷結(jié)構(gòu)的平壓實驗剩余強(qiáng)度曲線近似平行于水平坐標(biāo)軸。

2.4 三點彎曲剩余強(qiáng)度

由于帶有3類典型缺陷結(jié)構(gòu)的抗彎能力相差較小，所以其彎曲強(qiáng)度一般都隨著缺陷尺寸的增加呈近似于線性的衰減趨勢，而且衰減速率基本上保持不變。但在3種缺陷情況下結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理不同，所以其剩余強(qiáng)度也不盡相同。實際上，如圖7所示，含Crack缺陷結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈冪函數(shù)衰減趨勢，其衰減速率先是略有升高，而后又輕微下降;含Hole缺陷結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈正弦函數(shù)衰減趨勢，其衰減速率先是略微提升，然后緩慢地降低;含有Notch缺陷結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度隨著缺陷尺寸的增加呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的線性衰減趨勢，其衰減速率始終保持不變。圖8中，實線和虛線分別描繪了含Crack缺陷和含Hole/Notch缺陷結(jié)構(gòu)在側(cè)壓實驗中的強(qiáng)度下限值與損傷尺寸間的關(guān)系。

圖7 含Crack、Hole和Notch缺陷結(jié)構(gòu)的三點彎曲強(qiáng)度Fig.7 Three-point bending strength of samples with typical defects

圖8 三點彎曲實驗剩余強(qiáng)度曲線Fig.8 Residual strength of three-point bending

3 結(jié)論

抗側(cè)拉強(qiáng)度隨缺陷尺寸增加而表現(xiàn)出來的衰減速率和衰減規(guī)律也和缺陷類型有關(guān);抗側(cè)壓強(qiáng)度隨缺陷尺寸增加而表現(xiàn)出來的衰減速率和衰減規(guī)律同樣會受到缺陷類型的影響;結(jié)構(gòu)的抗平壓強(qiáng)度值均近似于無缺陷情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值與有效面積比之積;結(jié)構(gòu)的抗彎能力隨缺陷尺寸增加而衰減的規(guī)律近似為線性。

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