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一种蒙皮修补方案对夹层结构压缩性能的影响
蜂窝夹层结构是复合材料的一种特殊类型[1]。蜂窝夹
层结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子胶接而成[2]。
一般面板采用强度和刚度比较高的材料,芯子采用密度比较
小的材料,如蜂窝芯、泡沫芯、波纹板芯等。蜂窝夹层结构
具有比强度和比刚度高的优点,可以充分发挥材料的抗弯强
度和抗弯刚度,比传统结构减重10%~30%[3]。夹层结构具
有重量轻、弯曲刚度及强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸
音、隔热等优点,因此在飞行器结构上得到了广泛应用,对
结构减重有良好的效果。然而复合材料层间强度低,抗冲击
性能差的固有缺点导致在制造和使用过程中不可避免的会
存在缺陷或损伤,所有复合材料的损伤以及受损结构的修补
问题得到了国内外专家及研究者的广泛关注。然而目前在这
方面的研究中,绝大部分是理论上的研究,不针对特定结构,
能针对典型结构给出指导性的修补方案的研究还比较少,文
章通过试验研究了一种针对蒙皮的修补方案对蜂窝夹层结
构抗压性能的影响。
1试验件结构特点及损伤情况
试验件示意图见图1,主要由下蒙皮、胶粘剂、蜂窝芯、
胶粘剂、上蒙皮组成。试验件平面尺寸为500mm×500mm,面
板材料为T300/BA9913预浸料:含胶量为31±2%,固化后单
层厚度为0.125mm,由中航复合材料有限责任公司生产,上
下面板铺层为[-45/0/45/90]s;芯材材料为芳纶纸蜂窝芯材
(NRH-2-48(0.05)),蜂窝高度6mm:由中航复合材料有限
责任公司生产;上下面板与蜂窝芯材之间的胶膜为J-272C
胶膜:厚度(0.25±0.02)mm,面密度:(300±30)g/m2,
纱网载体胶膜,黑龙江石化所。
模拟分层缺陷采用预制缺陷的方法,即在铺叠预浸料过
程中,按表1规定的位置、尺寸预先在上蒙皮置入两层无孔
聚四氟乙烯薄膜,缺陷位置及补强片位置示意图见图2。蒙
皮修补方式采用贴补法补强,补强面板材料为T300/BA9913
预浸料,铺层为[90/+45/0/-45],补强材料与试验件面板胶
接采用J-272B胶膜:厚度(0.18±0.02)mm,面密度:(220±30)
g/m2,纱网载体胶膜,黑龙江石化所。补强材料贴补在上面
板靠近蜂窝一侧。预制缺陷及补强片和上蒙皮的剖面示意图
见图3。
试验件分组见表1。
2试验件制造
其工艺过程如图4所示。
上蒙皮固化工艺为:室温抽真空,加压≥0.4MPa后,升
温至120℃,保温2小时,降温至70℃以下卸压。0.5℃/min≤
升温速率≤1.5℃/min,降温速率≤1.5℃/min。
胶接共固化工艺为:室温抽真空,加压≥0.3MPa后,升
温至85℃,保温0.5小时,升温至120℃,保温2小时,降
温至70℃以下卸压。0.5℃/min≤升温速率≤1.5℃/min,降
温速率≤1.5℃/min。
3试验结果及分析
对五种不同的类型的典型压缩试验件进行了压缩试验
测试,其试验结果见表2。
从图5可以看出,试验件的应变-载荷曲线都是呈线性
的。从表2的试验结果可以看出:
(1)B组的平均抗压力比A组低6%,C组的平均抗压力
与A组低0.9%,说明面板置入分层缺陷后,抗压力降低,置
入的分层缺陷尺寸越大,抗压力降低的越显著。
(2)D组的抗压力比C组低11.1%,E组的抗压力比B
组低20%,主要原因可能是由于上面板贴补强片后,补强片
与蜂窝胶接的区域蜂窝发生变形,导致试验件整体抗压性能
降低。
对破坏后的典型压缩试验件进行无损检测,发现面板的
分层缺陷尺寸保持原来的大小,面板也未发现新的缺陷,初
步判断试验件的破坏方式为蜂窝破坏。
4结束语
该修补方式会导致蜂窝夹层结构典型压缩试验件抗压
性能的降低。
复合材料有着巨大的发展潜力,但我们也应该看到其面
临的各种难题,并不断努力使其尽快完善起来。
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