李 巍，屈孫濤

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

復(fù)合材料縫合技術(shù)是指采用縫合線使多層織物結(jié)合成準(zhǔn)三維立體織物或使分離的數(shù)片織物連接成整體結(jié)構(gòu)的一種復(fù)合材料預(yù)制體制備技術(shù)。該技術(shù)因可以提高復(fù)合材料層間損傷容限，大大改善復(fù)合材料抗沖擊性能而備受關(guān)注，近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用[1]，復(fù)合材料升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板中常采用這種縫合技術(shù)。

為了研究縫合對(duì)泡沫夾層板剪切性能的影響，進(jìn)行了一些相關(guān)的研究。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料縫合層合板的剪切強(qiáng)度隨著縫合密度的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，這是由于縫合密度過(guò)大時(shí)，纖維損傷和縫線處富脂導(dǎo)致應(yīng)力集中明顯，使得層合板的剪切強(qiáng)度反而有所降低?？p合密度最優(yōu)值的焦點(diǎn)取決于層合板的鋪層順序以及縫合參數(shù)[1，2]。縫合能夠顯著提高層合板的Ⅰ型層間斷裂韌性值，增加縫合密度，縫線強(qiáng)度，降低縫線的楊氏模量，增加試件的厚度及軸向剛度，均可提高試件的Ⅱ型層間斷裂韌性值?？p合能夠明顯降低復(fù)合材料層合板的沖擊損傷，提高層合板的沖擊后壓縮強(qiáng)度(CAI)。許多試驗(yàn)表明，合理設(shè)計(jì)縫合參數(shù)可以使層合板的CAI提高40%以上，甚至可達(dá)到400%[3-5]。

本文截取出復(fù)合材料升降舵壁板典型段進(jìn)行縫合的泡沫芯子剪切試驗(yàn)。本試驗(yàn)的目的是通過(guò)測(cè)量泡沫夾芯層板的剪切強(qiáng)度和剪切模量，來(lái)驗(yàn)證縫合對(duì)夾層結(jié)構(gòu)壁板剪切性能的影響。

2 材料與試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)件按縫合方式分為A、B、C三組，如表1所示?？p合的針距×行距為10mm×10mm，縫線材料為Kevlar 29。試驗(yàn)件尺寸如圖1所示。

表1 試驗(yàn)件分組

圖1 試驗(yàn)件簡(jiǎn)圖

2.2 試驗(yàn)裝置及方法

泡沫夾芯層板的試驗(yàn)夾具及試驗(yàn)裝置如圖2所示。用砂布打毛試樣兩表面及加載塊金屬板的膠粘面，使用溶劑擦干凈待粘接表面后，用膠粘劑把試樣粘接在兩加載金屬板之間。膠接固化溫度為室溫。將試件安裝在拉剪夾具上，然后將試件和夾具安裝在試驗(yàn)機(jī)上。調(diào)整試驗(yàn)機(jī)載荷零點(diǎn)，再夾緊下夾具。試驗(yàn)機(jī)的移動(dòng)夾頭以不變的移動(dòng)速度施加載荷，且在3min～6min內(nèi)達(dá)到最大載荷。推薦的加載速度為0.5mm/min。

1、6-拉伸夾具；2、7-加載金屬板；3-試樣；4、8-測(cè)變形附件；5、9-變形計(jì)圖2 試驗(yàn)裝置

2.3 試驗(yàn)計(jì)算方法

極限剪切應(yīng)力用式(1)計(jì)算：

(1)

式中，τ為芯子極限剪切應(yīng)力；Pmax為破壞前的最大載荷；l為試驗(yàn)件長(zhǎng)度；b為試驗(yàn)件寬度。

用式(2)計(jì)算有效工程剪切應(yīng)變：

(2)

式中，γ為芯子工程剪切應(yīng)變；u為加載板之間的瞬時(shí)位移；t為試件厚度。

用式(3)計(jì)算芯子剪切模量：

(3)

式中，G為芯子剪切模量；Δu為加載板之間的位移變化；ΔP為加載試件上的載荷變化；l為試驗(yàn)件長(zhǎng)度；b為試驗(yàn)件寬度。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照《聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)表達(dá)準(zhǔn)則》(HB 7618-2013)和中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所等出版的《復(fù)合材料手冊(cè)》技術(shù)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表2給出了升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板芯子剪切性能試驗(yàn)結(jié)果匯總。

表2 升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板芯子剪切試驗(yàn)結(jié)果

升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板芯子剪切性能試驗(yàn)中，改進(jìn)的鎖式縫合B組試驗(yàn)件的極限剪切強(qiáng)度比不縫合的A組試驗(yàn)件的極限剪切強(qiáng)度高8.03%，比tufting縫合的C組試驗(yàn)件的極限剪切強(qiáng)度高6.48%。改進(jìn)的鎖式縫合B組試驗(yàn)件的芯子剪切模量比不縫合的A組試驗(yàn)件的芯子剪切模量高43.3%，tufting縫合的C組試驗(yàn)件的芯子剪切模量比不縫合的A組試驗(yàn)件的芯子剪切模量高107.4%。

升降舵夾層結(jié)構(gòu)壁板芯子剪切性能試驗(yàn)中，不縫合的A組試驗(yàn)件的破壞模式為芯子出現(xiàn)小裂紋，被拉壞，如圖3所示；改進(jìn)的鎖式縫合B組試驗(yàn)件的破壞模式為芯子被拉斷，如圖4所示；tufting縫合的C組試驗(yàn)件的破壞模式為芯子出現(xiàn)大裂紋且被拉壞，如圖5所示。

圖3 不縫合試驗(yàn)件的破壞模式

圖4 改進(jìn)的鎖式縫合試驗(yàn)件的破壞模式

圖5 tufting縫合試驗(yàn)件的破壞模式

4 結(jié) 論

本文選擇了3組試驗(yàn)件，研究縫合對(duì)泡沫夾層板剪切性能的影響。從試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：適當(dāng)優(yōu)化縫合密度可以提高材料的剪切性能；相比不縫合情況和tufting縫合情況，改進(jìn)的鎖式縫合試驗(yàn)件剪切性能更優(yōu)異。