李威翰
摘要：对复合材料薄壁蜂窝夹层结构进行冲击后压缩试验，研究冲击参数对其损伤容限以及损伤阻抗的影响。结果表明薄壁夹层结构随着冲头直径的增加在相同冲击能量下剩余压缩强度增大，冲击后凹坑深度减小。
关键词：复合材料；蜂窝夹层结构；损伤容限；损伤阻抗
1 引言
与金属材料相比，由于复合材料具有明显的各向异性，使其可设计性得到很大的提升。同时，由于具有较好的比强度、比刚度，抗疲劳性以及耐腐蚀等特点，使得复合材料得到了广泛的应用。与传统的复合材料层压板相比，复合材料夹层结构在提高了弯曲刚度的基础上，进一步减轻重量。复合材料夹层结构根据中间芯子的不同可以大致分为泡沫夹层结构和蜂窝夹层结构。其中蜂窝夹层结构与泡沫夹层结构相比，密度更低并且在法向上具有更高的抗压强度。但是，与复合材料层压板相同，蜂窝夹层结构在受到冲击后，面板会产生分层、基体断裂等损伤。这些损伤会极大地降低面板强度和刚度。蜂窝夹层结构对冲击的损伤容限以及损伤阻抗除了与蜂窝夹层自身的结构参数有关以外，与所受到的冲击参数也密切相关。基于以上原因，本文对冲击参数中冲头直径对薄壁蜂窝夹层结构的损伤容限以及损伤阻抗的影响进行了研究，为薄壁蜂窝夹层结构的设计提供参考。
2 冲击试验
2.1 试件结构参数
试验件的尺寸为200×250mm，其铺层信息为[45/90/90 蜂窝19.0590/90/45]，即薄壁蜂窝夹层结构试件。冲击的引入以及压缩的试验标准均参考ASTM D7136以及ASTM D7137实施。
2.2、冲击参数
本试验中选取2.5J～13J这一范围的能量对试件进行冲击，同时选取了直径为16mm以及25.4mm的两种冲头。
3 结果分析
3.1 冲头直径对损伤容限的影响
复合材料损伤容限即材料或结果在受到损伤后保证安全性的能力。复合材料的损伤容限可以通过冲击后剩余压缩强度来表征[1]。
从图1可知，通过最小二乘法拟合可以得到对应不同冲头直径的剩余压缩强度与冲击能量的线性关系。从中不难看出，冲头直径增大，冲击能量对薄壁蜂窝夹层结构的剩余强度影响越小，体现在拟合直线的斜率上。
同时，通过拟合得到的直线可以估算，当冲击能量大于6J时，随着冲击能量的增大，冲头直径较大的试件，其剩余强度反而比冲头直径较小的试件的剩余强度要大。这与层压板或者厚壁夹层结构的规律相反[2]。这是由于薄壁夹层结构单侧面板的弯曲刚度要远小于层压板或厚壁夹层结构的面板。并且随着冲头直径的增加，面板的穿透性降低。致使冲击后损伤面积变小同时损伤的扩展也受到阻碍。薄壁面板更容易发生受压断裂而由于非损伤扩展导致断裂失效。由于损伤面积小，损伤区域附近截面应力较低。最终导致随着冲击能量的增加，冲头直径大的试板的剩余强度推算值反而高于冲头直径小的试板。
3.3.2、冲头直径对损伤阻抗的影响
复合材料的损伤阻抗一般是指抵抗冲击事件的能力或给定冲击力导致的损伤尺寸。复合材料的损伤阻抗可以用损伤区域的面积以及冲击后凹坑深度来表征，本文采用凹坑深度来表征蜂窝夹层结构的损伤阻抗。
从图2可以得出对应不同冲头直径的凹坑深度与冲击能量的拟合直线。从拟合直线的斜率可以看出，在相同的冲击能量下，对应冲头直径小的试板的凹坑深度受冲击能量的影响更大。
4、结论
薄壁蜂窝夹层结构的剩余压缩强度的预测值随着冲头直径的增大而增大。同时在相同的冲击能量下，对应冲头直径小的试板的凹坑深度受冲击能量的影响更大。
5、引用
1. 沈真，复合材料损伤阻抗和损伤容限的性能表征
2. Damage Tolerance Characterization of Sandwich Composites Using ResponseSurfaces-ar02-101
3. 王念，复合材料层合板冲击损伤及损伤容限研究
4. 冯康军，飞机复合材料结构损伤容限平定及适航审定技术的研究
本项目编号为MJ-2014-F-09，批准文号为工信部联装 [2015]391号
