3．X状Z-pin增强泡沫夹层结构的压缩强度.doc

X状Z-pin增强泡沫夹层结构的压缩性能 杜龙 矫桂琼 黄涛 李朝光 西北工业大学力学与土木建筑学院，西安，710072 dragon7519@ 摘要 X状Z-pin增强泡沫夹层结构作为一种新兴的复合材料夹层结构形式，能够克服传统蜂窝夹层结构的诸多缺陷。本文采用预浸碳纤维增强Rohacell?夹芯，进行了Z-pin角度为150和250、夹芯厚度分别为12.7mm和8mm两种Z-pin增强泡沫夹层结构的压缩性能试验，并与相同批次和尺寸的未增强件进行对比，考察其对传统泡沫夹层结构的增强作用。试验发现X状Z-pin增强能够大幅度地提高夹层结构的压缩强度与刚度，同时，增强材料表现出与传统泡沫夹层结构不同的压缩变形与破坏模式。证实Z-pin的弹性屈曲控制着结构的压缩强度，夹芯厚度和Z-pin角度影响Z-pin屈曲的计算长度从而成为材料压缩强度的控制因数。在此基础上，考虑面板对Z-pin的有限转动约束，通过引进约束修正系数，改进了现有的压缩强度预测模型，预测值与试验结果更加接近。 关键词：夹层结构；Z-pin增强；压缩性能 引言 为改善传统蜂窝夹层结构的诸多缺陷，用泡沫取代蜂窝作为夹层结构的芯材成为一种理想的选择，但泡沫芯材的不足之处在于其强度和刚度皆较低。近年来，国外研究者提出了一种新型的X状Z-pin增强泡沫（X-cor?）夹层结构 [1][2]（图1），它是将经过树脂预浸的细长的复合材料纤维杆（一般为预浸碳纤维杆）或者金属丝（统称为Z-pin）按一定角度以X状嵌入闭孔泡沫芯材中，并在两头预留出小部分植入上下面板，经固化形成的整体结构（图1(b)）。 图1 X状Z-pin增强夹层结构试件及结构示意图 2001年美国陆军试验室的Kunkel等和Sikorsky飞机公司的Carstensen[2]等先后发表了关于X-cor?增强夹层结构力学性能的研究报告。0’Brien[3]等研究了Z-pin增强泡沫夹层和层压板过渡区破坏机理。Cartie[4]等通过试验研究准静态和动态下X-cor?增强泡沫夹层结构面压缩问题，揭示了Z向碳针和泡沫相互作用的抗压机理。Vaidya[5]等研究了垂直植入碳针增强泡沫夹层结构在高应变率冲击下的力学响应，并与蜂窝夹层结构作了比较。Rice[6]等研究了Z-pin增强泡沫夹层梁的三点弯曲破坏模式，比较了不同尺寸和跨距下夹层结构板的弯曲破坏。国内，田旭[7]等试制了X-cor?夹层结构并对其基本性能进行了试验研究。 提高泡沫夹芯的压缩性能是进行横向增强的主要目标之一，本文作者通过不同Z-pin角度和夹芯厚度的X状Z-pin增强泡沫夹层结构的压缩性能试验，研究其对泡沫芯材的增强效果及其压缩破坏机理，并改进了现有的压缩强度预报模型。 2．试验 本试验中泡沫芯材选用德固赛公司生产的Rohacell?71WF闭孔聚甲基丙烯酰亚胺PMI泡沫，面板为碳纤维增强树脂基复合材料，树脂基体为BA9912，增强材料为T300碳纤维，以(00，900，±450)S铺设8层，为准各向同性层合板。Z-pin为T300预浸碳纤维，浸润树脂为与面板树脂相同体系的BA9912，平均直径0.27mm。试件参数如表1。 表1 Z-pin增强夹层结构剪切试验件 组别 夹芯厚度(mm) Z-pin类型 Z-pin角度 试件尺寸 I 12.7 碳纤维 150 40mm50mm16.4mm II 8 碳纤维 250 40mm50mm11.1mm 所有试件Z-pin密度皆为0.133pin/mm2，且每组试件皆有相同批次和尺寸的未增强对比件。试验在INSTRAN-5567试验机上进行，加载速率为0.5mm/min，采用引伸计（COD规）测量压缩位移，进而可以得到试件的压缩模量。典型压缩应力-应变曲线如图2所示。 图2 增强与未增强泡沫夹层结构试件典型压缩应力-应变曲线 压缩试验结果如表2所示。 表2 压缩试验结果 组别 试件类型 Z-pin角度 压缩刚度(Mpa) 压缩强度(Mpa) I 对比件 - 73.0 2.13 增强件(I) 150 294.0 8.95 II 对比件 - 63.5 2.01 增强(II) 250 554.0 14.71 从试验结果可以看出，Z-pin增强能够大幅地提高泡沫夹层结构的压缩性能，无论是压缩刚度还是强度都较传统的泡沫夹层结构有极大的改善，150Z-pin增强使夹芯厚度为12.7mm试件的压缩模量提高到4.03倍，压缩强度提高到4.26倍；250Z-pin增强使夹芯厚度为8mm试件的压缩模量提高到8.72倍，压缩强度提高到7.35倍。 (a) (b) 图3 X状Z-pin增强泡沫夹层结