損傷位置對復(fù)合材料加筋壁板剪切承載能力的影響

尹俊杰，常 飛，李曙林，楊 哲，石曉朋

（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038）

0 引 言

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（以下簡稱復(fù)合材料）以其密度小、強(qiáng)度高、剛度大的特點，在現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)上的用量逐漸增加，應(yīng)用范圍也越來越廣，主要用在飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等結(jié)構(gòu)上。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對沖擊損傷比較敏感，即使在較低沖擊能量、結(jié)構(gòu)外表面未留下可視損傷的情況下，也會在其內(nèi)部產(chǎn)生基體開裂、基體與纖維分離、分層和纖維斷裂等微觀損傷，從而大大降低結(jié)構(gòu)的承載能力，嚴(yán)重影響其使用，甚至?xí)苯訉?dǎo)致事故的發(fā)生。飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在制造、運(yùn)輸和使用過程中都不可避免地會遭受各種外來物的沖擊形成損傷，如跑道碎石、冰雹、飛鳥和不明飛行物等。因此，研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的低速沖擊損傷及剩余強(qiáng)度問題具有重要的理論與實踐意義。

目前，國內(nèi)外研究者對小尺寸復(fù)合材料試樣損傷及損傷后的承載能力進(jìn)行了研究［1－5］，尚未見損傷對大尺寸、不同損傷部位復(fù)合材料加筋壁板剪切承載能力影響的相關(guān)文獻(xiàn)。為此，作者通過對含沖擊損傷的大尺寸復(fù)合材料加筋壁板進(jìn)行剪切試驗，得出了損傷位置對復(fù)合材料加筋壁板剪切承載能力的影響。

1 試樣制備與試驗方法

某型飛機(jī)用復(fù)合材料加筋壁板由蒙皮和筋條膠接而成，蒙皮材料為 CF3031／BA，筋條材料為CCF300／BA。試驗用加筋壁板的外形及尺寸如圖1所示。共四件試樣，其中一件為完好試樣（試樣W），三件為損傷試樣（試樣S1，S2，S3），損傷位置分別為蒙皮中心、筋條與蒙皮邊緣和筋條中央，對應(yīng)圖1中的B、C、D三個位置。試樣編號及其它基本參數(shù)見表1。

圖1 試樣外形及尺寸Fig.1 Shape and size of sample

由于自由落體沖擊可以較好地再現(xiàn)諸如維修工具墜落、設(shè)備撞擊等的低速沖擊，故采用TANHOR型落錘沖擊試驗臺對復(fù)合材料加筋壁板進(jìn)行沖擊損傷預(yù)制，沖擊用半球形鋼制沖頭的直徑為8mm。預(yù)制的沖擊損傷要求試樣表面有深1mm的沖擊凹坑。根據(jù)對不同位置沖擊能量的摸索，得到合適的沖擊能量，通過調(diào)整落錘高度對其進(jìn)行控制。S1試樣沖擊后的形貌如圖2所示。

采用IUCS－Ⅱ型便攜式數(shù)字超聲C掃描系統(tǒng)對沖擊后的加筋壁板進(jìn)行無損檢測，得到損傷區(qū)域的長、寬、損傷面積及凹坑深度。

試驗時每個試樣共裝有174個應(yīng)變計，編號為1～174，其中，蒙皮上有30個花片（每個花片含3個不同方向的應(yīng)變計，方向分別為0°、45°和90°），“工”字型筋條的緣條和腹板上有84個單片，應(yīng)變片粘貼位置如圖3所示。

表1 試樣編號及參數(shù)Tab.1 Samples number and parameters

試驗所用夾具及試樣的支持狀態(tài)如圖4所示。試樣四邊被夾具上下蓋板用螺栓夾緊，在夾具的對角處施加拉力，根據(jù)力的傳遞和轉(zhuǎn)換原理，所加的力通過螺栓轉(zhuǎn)換為加筋壁板上的剪切力，由此向壁板施加剪切力。

圖4 試驗夾具及試樣支持狀態(tài)Fig.4 Test fixture and support state of sample

采用MTS多通道液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行加載，加載時，首先以5%的設(shè)計載荷為級差加載至65%的設(shè)計載荷，然后以2%的設(shè)計載荷為級差加載至試樣破壞。加載過程中，用TEST3826型應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)變測量。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 損傷位置對剪切承載能力的影響

為了研究沖擊位置對損傷試樣承載能力的影響，首先做出試樣S1、S2、S3、W蒙皮上某個測點正反兩面的應(yīng)變曲線，如圖5所示，圖中每條曲線編號代表實際的應(yīng)變計編號，試樣S1、S2、S3、W所選測點分別對應(yīng)圖3中3、1、4、2這四個對稱位置。試驗現(xiàn)象及試驗結(jié)果表明，這四個與試樣中心等距的位置，其屈曲現(xiàn)象均比較明顯，載荷－應(yīng)變曲線能夠較好地體現(xiàn)試驗過程中試樣狀態(tài)的變化。

由圖5可見，四個試樣所選位置的載荷－應(yīng)變曲線變化趨勢大致相同。當(dāng)所加載荷較小時，應(yīng)變花每個方向的應(yīng)變基本呈線性變化，且45°方向的應(yīng)變值遠(yuǎn)大于其他兩個方向的；當(dāng)試樣發(fā)生屈曲后，應(yīng)變花每個方向的應(yīng)變不再線性變化且發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)。對比各個試樣從發(fā)生屈曲到破壞的載荷變化范圍可知，四個試樣的后屈曲承載能力各不相同，其中，當(dāng)蒙皮中心受到?jīng)_擊損傷后，試樣一旦發(fā)生屈曲，很快就會破壞，后屈曲承載能力較差。四個試樣后屈曲承載能力從小到大的順序為試樣S1，S2，S3，W，損傷試樣S1、S2、S3的后屈曲承載能力分別為完好試樣的32.8%，44%，78.9%。四個試樣的失穩(wěn)載荷與破壞載荷如表2所示。

由表2可見，四個試樣所能承受的失穩(wěn)載荷、破壞載荷從小到大的順序為試樣S1，S2，S3，W。當(dāng)加筋壁板受到?jīng)_擊損傷后，損傷位置對失穩(wěn)載荷的影響較大，S1，S2，S3三個損傷試樣失穩(wěn)載荷之比為0.7∶0.9∶1，分別是完好試樣失穩(wěn)載荷的62%，80%，88%。同時，損傷位置對破壞載荷的影響也非常大，S1，S2，S3三個損傷試樣破壞載荷之比為0.57∶0.74∶1，分別是完好試樣破壞載荷（總承載能力）的48%，62%，84%。

根據(jù)三個損傷位置對加筋壁板剪切承載能力的影響程度，擬合出一條曲線，近似表示當(dāng)損傷分布在兩筋條之間時加筋壁板的剪切強(qiáng)度沿圖1中y軸的變化情況，如圖6所示。

由圖6可以看出，損傷分布在兩筋條之間，且損傷凹坑深度在1mm左右時，承載能力與距筋條中心的距離近似呈二次拋物線的關(guān)系，距筋條中心越遠(yuǎn)的地方，受到?jīng)_擊損傷后的剪切承載能力越小。

圖5 不同試樣上某點正反面的載荷－應(yīng)變曲線ig.5 Strain－load curves of front and back sides of a point in different samples：（a）S1sample；（b）S2sample；（c）S3sample and（d）W sample

表2 不同試樣的失穩(wěn)及破壞載荷Tab.2 Instability and destructive load of different samples

圖6 剪切承載能力－損傷位置曲線Fig.6 Shear carrying capacity vs damage positions

2.2 討 論

對表面同時產(chǎn)生深度為1mm左右的損傷凹坑而言，經(jīng)驗表明沖擊位置直接決定了筋條對蒙皮支撐的強(qiáng)弱程度。當(dāng)沖擊發(fā)生在蒙皮中心時，由于沖擊點距兩側(cè)筋條的距離較遠(yuǎn)，筋條對蒙皮的支撐最弱，此時蒙皮的支持狀態(tài)近似為簡支，故在較小的沖擊能量下，試樣內(nèi)部就會產(chǎn)生大面積的基體開裂、基體纖維分離、分層和纖維斷裂等微觀損傷，這些損傷會嚴(yán)重影響加筋壁板的剪切強(qiáng)度。當(dāng)損傷沿圖6中橫坐標(biāo)80→0或者80→160分布，同時產(chǎn)生1mm左右凹坑時，由于沖擊點距筋條中心距離減小，蒙皮受筋條的支撐作用越來越明顯，試樣內(nèi)部所產(chǎn)生的微觀損傷變小，所以試樣的承載能力變強(qiáng)。

沖擊損傷所產(chǎn)生的試樣內(nèi)部微觀損傷程度可由超聲C無損檢測得到的損傷掃描圖面積來體現(xiàn)，損傷掃描圖面積越大，說明內(nèi)部產(chǎn)生的微觀損傷程度越大，反之則微觀損傷程度越小。

由表1及圖7可知，當(dāng)損傷發(fā)生在蒙皮中央（試樣S1）時，在較小的沖擊能量下，損傷區(qū)域的長、寬及面積均較大，表明試樣內(nèi)部的微觀損傷非常嚴(yán)重；隨著損傷位置向筋條中心靠近（試樣S2），并同時增大沖擊能量，損傷區(qū)域的長、寬及面積均減小，表明試樣內(nèi)部的微觀損傷程度減小；當(dāng)損傷發(fā)生在筋條中心（試樣S3）時，沖擊能量最大，但損傷區(qū)域的長、寬及面積最小，表明試樣內(nèi)部的微觀損傷最小。因此可以看出，沖擊位置對損傷面積有很大的影響。

圖7 試樣S1、S2和S3的損傷超聲C掃描圖Fig.7 Injury ultrasound C－scanning maps of samples S1（a），S2（B）and S3（c）

對于該類型的加筋壁板，蒙皮主要承受面內(nèi)的剪切載荷，筋條主要起穩(wěn)定蒙皮的作用［6］，這就不難得到三個損傷試樣承載能力從小到大的順序為試樣S1，試樣S2，試樣S3。

3 結(jié) 論

（1）表面產(chǎn)生深為1mm左右的凹坑時，沖擊損傷位置對復(fù)合材料加筋壁板后屈曲承載能力、總承載能力的影響較大，蒙皮中心、筋條與蒙皮邊緣、筋條中心受到?jīng)_擊后，其后屈曲承載能力分別為完好加筋板的32.8%，44%，78.9%，破壞載荷（總承載能力）分別為完好加筋板的48%，62%，84%。

（2）當(dāng)損傷分布在兩筋條之間、損傷凹坑深度在1mm左右時，加筋壁板的承載能力與沖擊位置距筋條中心的距離近似呈二次拋物線關(guān)系，距筋條中心越遠(yuǎn)，受到?jīng)_擊損傷后的剪切承載能力越小。

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