門(mén)坤發(fā) 何龍龍 王久龍 李宏亮

摘 要 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空飛行器上，但由于受到蜂窩尺寸的限制，在夾層結(jié)構(gòu)大部件中，需要利用膨脹膠膜對(duì)蜂窩拼縫進(jìn)行粘接，從而形成完整的蜂窩結(jié)構(gòu)。對(duì)典型的鋁蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，研究蜂窩有拼縫以及對(duì)拼縫粘接后對(duì)夾層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響，按照ASTM C393標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，典型的鋁蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)蜂窩3mm拼縫以及對(duì)拼縫粘接后對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度無(wú)影響，利用有限元仿真進(jìn)一步確認(rèn)了夾層結(jié)構(gòu)在四點(diǎn)彎曲情況下應(yīng)力分布情況以及蜂窩芯子的具體破壞位置，從試驗(yàn)和仿真分析結(jié)果表明，典型夾層結(jié)構(gòu)的蜂窩的3mm拼縫以及對(duì)拼縫用膨脹膠膜粘接對(duì)夾層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度無(wú)影響，并可基于試驗(yàn)驗(yàn)證的有限元模型對(duì)其它面板形式的夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠的強(qiáng)度仿真分析。

關(guān)鍵詞 夾層結(jié)構(gòu)；拼接；四點(diǎn)彎曲；仿真

Research on the Influence of Honeycomb Splicing on

the Strength and Stiffness of Sandwich Structure

MEN Kunfa¹， HE Longlong¹，WANG Jiulong¹，LI Hongliang²

（1.Harbin Aircraft Industry Group Co.，Ltd.，Harbin 150066;

2.The Military Representative office of the Representative Bureau of

Army Armament Department in Harbin Region，Harbin 150066）

ABSTRACT Honeycomb Sandwich structures are widely used in the aircraft， due to the limitations in honeycomb size， and need to splice the honeycomb of sandwich， using the expansion adhesive film bonding the splice of honeycomb， for aluminum skin honeycomb sandwich structure， Study the strength and stiffness of the effect of honeycomb splice and bonding splice， Perform four points bending test according the ASTM C 393， The tests result show that the aluminum skin honeycomb structure strength & stiffness has no effect for the splice is 3mm and bonding the splice. Using finite element simulation analysis further confirm the stress distribution and the honeycomb exact location of the damage， from the test and simulation analysis， The sandwich structure strength & stiffness have no effect for the honeycomb splicing is 3mm and bonding the splice with the expansion film， The finite element based on the experimental verification that reliable strength & stiffness simulation analysis for another skin type of honeycomb.

KEYWORDS sandwich structure; splice; four points bending; simulate

通訊作者：門(mén)坤發(fā)，研究員，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槠谠O(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證。E-mail： menkunfa@163.com

1 引言

夾層結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度、較大的彎曲剛度和較高的抗疲勞性能，結(jié)構(gòu)的表面平整光滑，同時(shí)在生產(chǎn)制造中能夠減少費(fèi)用，因此在飛機(jī)和直升機(jī)結(jié)構(gòu)上都有大量的應(yīng)用^［1-2］。但由于受到蜂窩尺寸的限制，在航空器夾層結(jié)構(gòu)大結(jié)構(gòu)件成型過(guò)程中，往往需要對(duì)蜂窩芯子進(jìn)行拼接，拼接的方式是采用膨脹膠膜對(duì)拼縫位置進(jìn)行粘接^［3-4］，使蜂窩芯子完整，從而構(gòu)成了大構(gòu)件的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

由于Nomex蜂窩具有較高機(jī)械性能、低密度和良好的穩(wěn)定性，因此被大量應(yīng)用于直升機(jī)的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其中，在航空器大結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用鋁蒙皮Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是一種典型的成熟應(yīng)用案例，從文獻(xiàn)［5-6］可知，國(guó)內(nèi)的直升機(jī)型號(hào)的尾梁結(jié)構(gòu)采用了鋁蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)減重效果非常明顯，并且具有良好的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。選取某直升機(jī)結(jié)構(gòu)中一種典型的鋁蒙皮Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對(duì)完好結(jié)構(gòu)、蜂窩帶拼縫以及對(duì)拼縫利用膨脹膠膜粘接后進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證，并利用有限元仿真分析對(duì)以上三種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的分析，基于試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真分析確認(rèn)了這種典型的蜂窩拼縫尺寸以及對(duì)蜂窩拼縫粘接后的強(qiáng)度和剛度影響情況。

2 夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析

2.1 夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表明，夾層結(jié)構(gòu)主要用于承受拉伸、壓縮和彎曲等載荷，主要的破壞形式包括面板破壞、蜂窩芯子破壞和面板與蜂窩芯子之間的界面破壞，其中蜂窩芯子的破壞主要有壓縮破壞、拉伸破壞和剪切破壞。在設(shè)計(jì)某型號(hào)直升機(jī)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件時(shí)，當(dāng)蜂窩芯尺寸大于1m時(shí)允許拼接，蜂窩芯子允許拼接1次，芯子的拼縫間隙不大于3.0mm，拼接后的所有蜂窩方向應(yīng)一致，拼接用的膨脹膠膜應(yīng)與該產(chǎn)品選用的固化體系相一致，為了驗(yàn)證蜂窩芯子的拼接對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響情況，選定一種常用的典型的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，對(duì)比蜂窩芯子完好、有拼縫和對(duì)拼縫處利用膨脹膠膜拼接三種夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度測(cè)試。

為了驗(yàn)證夾層結(jié)構(gòu)不同蜂窩芯子連接形式對(duì)夾層結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度的影響，按照標(biāo)準(zhǔn)^［7］對(duì)夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)夾層結(jié)構(gòu)的彎曲試驗(yàn)?zāi)軌虼_定夾層結(jié)構(gòu)的整體彎曲剛度、蜂窩芯子的剪切強(qiáng)度、剪切模量、面板的壓縮和拉伸強(qiáng)度；也可以用于評(píng)估芯子和和面板的粘接強(qiáng)度。夾層結(jié)構(gòu)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)件試樣的形狀和尺寸按照標(biāo)準(zhǔn)^［7］確定，其中試驗(yàn)件的上下面板厚度為0.6mm；材料為2024的鋁板，蜂窩為厚度15mm材料DHS251.142 Nomex紙蜂窩，其中蜂窩芯子的內(nèi)切圓半徑為4.76mm（3/16英寸），將本次彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)件設(shè)計(jì)成60mm×170mm的矩形形狀，一共設(shè)計(jì)了三種試驗(yàn)件類(lèi)型，分別是：

（1）完好的試驗(yàn)件，目的用于確定夾層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的基準(zhǔn)值；

（2）夾層結(jié)構(gòu)的蜂窩芯子中間部位是未進(jìn)行拼接的試驗(yàn)件，在試驗(yàn)件的中間位置設(shè)置拼縫，拼縫的尺寸是3mm，目的是確定蜂窩3.0mm拼縫對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或剛度的降低情況；

（3）利用膨脹膠膜對(duì)蜂窩的拼縫進(jìn)行拼接，用于研究將蜂窩芯子拼縫拼接后對(duì)夾層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的恢復(fù)情況。

2.2 夾層結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能

夾層結(jié)構(gòu)上下面板的材料為0.6mm的2024鋁合金板材，參考材料標(biāo)準(zhǔn)^［8］，主要的力學(xué)性能如表1所示。

夾層結(jié)構(gòu)為的夾芯為15mm的Nomex蜂窩，牌號(hào)為DHS251.142，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)^［9］可知：蜂窩的內(nèi)切圓直徑4.76mm，蜂窩壁厚0.125mm，其中10mm～12.7mm厚度的蜂窩的主要力學(xué)性能如表2所示。

從標(biāo)準(zhǔn)^［9］可知，隨著蜂窩厚度的變化，其剪切強(qiáng)度和模量應(yīng)考慮應(yīng)用不同的修正系數(shù)，其中15mm的蜂窩的剪切強(qiáng)度和模量考慮應(yīng)用0.950的修正系數(shù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)以及試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)件的安裝如圖1（a）所示，兩端用于支持試驗(yàn)件的支持工裝間距是120mm，上部施加壓縮載荷的加載工裝的距離為60mm，加載點(diǎn)和支持點(diǎn)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)并且有足夠的剛度，為了避免加載工裝有重大變形，試驗(yàn)的加載速率是6mm/min，夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的上面板承受壓縮，下面板承受拉伸。

在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著載荷的增加，夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件首先出現(xiàn)失效的區(qū)域是在加載和支撐區(qū)域，其現(xiàn)象是蜂窩失效，在夾層結(jié)構(gòu)的中間位置有最大的變形，當(dāng)試驗(yàn)件蜂窩在加載和支持區(qū)出現(xiàn)失效后，在失效區(qū)域達(dá)到一定尺寸后，夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件不能承載，如圖1（b）所示，說(shuō)明蜂窩的局部失效是導(dǎo)致整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)不能承載的主要原因。夾層結(jié)構(gòu)的蜂窩出現(xiàn)局部壓縮屈曲時(shí)，說(shuō)明蜂窩芯子受到的壓縮載荷超過(guò)了蜂窩芯子的壓縮或者剪切許用值，導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件將不能承受整體彎曲載荷而最終失去承載能力。

兩條典型的試驗(yàn)曲線如圖2所示，其中1#試驗(yàn)件，在試驗(yàn)加載過(guò)程中，試驗(yàn)件初始階段的壓縮載荷和變形保持線性關(guān)系，即在試驗(yàn)載荷為0～1755N壓縮載荷時(shí)，試驗(yàn)件壓縮載荷和變形是線性關(guān)系，在到達(dá)a點(diǎn)時(shí)，夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件開(kāi)始局部屈曲，說(shuō)明蜂窩芯子發(fā)生了壓縮屈曲，繼續(xù)加載，緩慢增長(zhǎng)到b點(diǎn)后，載荷突然下降，但后續(xù)載荷又能增加，直到載荷增長(zhǎng)到C點(diǎn)1833N時(shí)，試驗(yàn)件幾乎不能承載，證明試驗(yàn)件已經(jīng)失去承載能力。2#試驗(yàn)件的情況基本一致，在0～1622N壓縮載荷階段，在達(dá)到a點(diǎn)之前，試驗(yàn)件壓縮載荷和變形是線性關(guān)系，載荷到b點(diǎn)時(shí)即壓縮載荷1673N時(shí)，試驗(yàn)件幾乎不能承載。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

依據(jù)試驗(yàn)曲線選取試驗(yàn)件的破壞載荷，對(duì)三種結(jié)構(gòu)形式的破壞載荷進(jìn)行匯總，并對(duì)每種試驗(yàn)件類(lèi)型選取5個(gè)有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3所示。

從表3中可見(jiàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散系數(shù)最大的是12.87%，其中蜂窩有拼縫后其壓縮破壞強(qiáng)度與完好試驗(yàn)件相當(dāng)，說(shuō)明該夾層結(jié)構(gòu)蜂窩3mm拼縫對(duì)強(qiáng)度沒(méi)有降低的影響，而拼接后完好結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度相當(dāng)。

利用表3的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)件幾何尺寸按照標(biāo)準(zhǔn)^［7］對(duì)夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，分別進(jìn)行了芯子剪切應(yīng)力、面板彎曲應(yīng)力和夾層結(jié)構(gòu)面板變形數(shù)據(jù)計(jì)算工作，分析的結(jié)果如表4所示。

依據(jù)表4的分析結(jié)果，夾層結(jié)構(gòu)面板的應(yīng)力小于材料的拉伸強(qiáng)度，而蜂窩芯子的剪切應(yīng)力均超過(guò)材料的剪切許用強(qiáng)度，進(jìn)一步說(shuō)明了蜂窩芯子的剪切破壞導(dǎo)致整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)彎曲破壞。

4 有限元模擬

4.1 夾層結(jié)構(gòu)有限元模型

建立夾層結(jié)構(gòu)的有限元模型，夾層結(jié)構(gòu)的上下面板采用二維平面單元，分別是CQUAD4和CTRIA3單元，蜂窩是Nomex六邊形結(jié)構(gòu)，將其簡(jiǎn)化為二維CQUAD4面單元^［10-13］，蜂窩芯子L方向壁厚為W方向厚度的2倍，其中蜂窩拼縫的拼接用3D單元模擬膠膜，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，未出現(xiàn)面板與芯子脫膠現(xiàn)象，因此在有限元模型中忽略面板與芯子之間膠層對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響結(jié)合表1中的試驗(yàn)結(jié)果，在每個(gè)模型施加的總載荷為1700N，完好夾層結(jié)構(gòu)的有限元模型以及有限元模型的載荷和約束圖如圖3所示，與試驗(yàn)中的載荷和約束保持一致。

4.2 夾層結(jié)構(gòu)變形結(jié)果

夾層結(jié)構(gòu)四點(diǎn)彎曲結(jié)構(gòu)變形示意如圖4所示，在總1700N的壓縮載荷作用下，蜂窩夾層最大變形如下：完好結(jié)構(gòu)為1.2685mm、有拼縫結(jié)構(gòu)為1.2690mm，拼縫拼接結(jié)構(gòu)為1.2680mm，從對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果上看，夾層結(jié)構(gòu)蜂窩有3mm的拼縫對(duì)典型夾層結(jié)構(gòu)的整體變形無(wú)影響，有限元分析的結(jié)果也表明蜂窩3mm的拼縫對(duì)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和變形無(wú)影響。

4.3 夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

以下是夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，包括上下面板和芯子的應(yīng)力，如圖5所示。

對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)上下面板，由于三種結(jié)構(gòu)的變形情況相差不多，因此對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)的上下面板的應(yīng)力云圖選擇結(jié)構(gòu)帶拼縫結(jié)構(gòu)的進(jìn)行分析，從圖5（a）和圖5（b）應(yīng)力云圖可見(jiàn)，在試驗(yàn)件的加載工裝和支持工裝與試驗(yàn)件的接觸區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)試驗(yàn)件的最大應(yīng)力，在這些區(qū)域的應(yīng)力為127MPa左右，而非接觸區(qū)域的最大應(yīng)力為42.3MPa，與表4中理論計(jì)算的面板應(yīng)力接近。

對(duì)于蜂窩檢測(cè)芯子材料，蜂窩芯子的最大壓縮許用應(yīng)力為0.83MPa，選取帶拼縫芯子的最小主應(yīng)力云圖以及蜂窩芯子超過(guò)許用壓縮應(yīng)力的云圖，從超過(guò)許用壓縮應(yīng)力的云圖5（c）和5（d）可見(jiàn)，芯子的破壞區(qū)域與試驗(yàn)芯子出現(xiàn)壓縮屈曲的位置基本一致。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)典型夾層結(jié)構(gòu)彎曲試驗(yàn)和有限元分析，得出如下結(jié)論：

（1）在內(nèi)外面板均是0.6mm鋁合金并且?jiàn)A層為15mm的Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中，蜂窩芯子有3.0mm的拼縫不會(huì)對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生影響；

（2）利用有限元方法，將夾層結(jié)構(gòu)的蜂窩芯子采用2D單元方法建模，能夠精準(zhǔn)的對(duì)夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析；

（3）基于夾層結(jié)構(gòu)的有限元模型，可進(jìn)行其它組合情況下的蜂窩芯子帶有拼縫的強(qiáng)度和剛度預(yù)測(cè)，從而能夠減少大量的物理試驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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