薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击试验

李昕泽

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：复合蜂窝夹层结构在航空航天工业中得到了广泛的应用，对于薄面板结构，较低能量的冲击会造成目视可见损伤，甚至面板穿透。因此，研究薄面板蜂窝夹层结构的冲击试验具有重要的意义。本文以对薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击试验进行了论述。

关键词：薄面板；蜂窝夹层结构；冲击试验

复合蜂窝夹层结构以其轻量化、高强度的特点，广泛应用于航空航天、船舶等领域。然而，这种结构对冲击损伤高度敏感。众多学者研究发现，冲击损伤在很大程度上破坏了复合材料夹层结构的完整性，从而降低了其强度与刚度。因此，夹层结构的冲击损伤阻抗及损伤容限已成为国内外研究的热点。

一、试验

1、试验件。试验件由上下复合材料面板和中间的蜂窝芯体胶接而成，面板为上面板3个铺层、下面板2个铺层的编织复合材料。芯体为正六边形蜂巢，相对密度为0.072。

2、试验设置。试验在Instron Ceast 9350落锤冲击试验机上完成。本试验参照ASTM D3763试验标准，冲击试件采用直径12.7mm的半球面冲头、内径76mm、外径100mm的圆环形夹具。试件分为A、B、C组，A组研究相同冲击能量不同冲击速度的影响，B组研究相同冲击速度不同冲击能量的影响，C组研究不同板厚的影响。

二、冲击速度的影响

试验现象。A组用2.131kg及2.631kg的冲头对两个复合材料铺层面板分别施加1.50J、2.00J、2.50J的能量进行冲击；用2.131kg及2.631kg的冲头分别在2.00J、3.00J、4.00J处对3个复合材料铺层面板进行冲击。由其结果可知，接触力-时间段分为上升段、波动段和下降段。冲头接触面板后，接触力会在短时间内上升，然后突然下降，小幅度波动，最后缓慢下降。随着冲击能的增大，最大接触力变化不明显。

三、冲击能量的影响

1、试验现象。B组试验件用2.13 lkg及2.631kg的冲头分别以0.97、1.19、1.38、1.53m/s四种速度冲击两个复合材料铺层面板；用2.131kg及2.631kg的冲头，以0.97、1.37、1.68、1.94m/s四种速度冲击三个复合材料铺层面板。

由试验结果可知，接触力-时间段也呈现出三个阶段。随着冲击速度的增加，最大接触力变化不明显，最大接触力约为500N。从图1(a)可看出，E1-V0.97-M2.131-P3试件在接触力-时间曲线较平滑，无明显的突降或波动段，最大接触力约为600N。之后，冲击速度增大，最大接触力有所增加，但仍保持在750 N左右。

图1

此外，当两个复合材料铺层面板的冲击速度为0.97和1.19 m/s时，两种冲头未穿透板；当冲击速度为1.38m/s时，2.131kg冲头未穿透面板，2.631kg冲头穿透面板；冲击速度为1.53m/s时，两种冲头均穿透了面板。当三个复合材料铺层面板的冲击速度为0.97、1.37m/s时，两种冲头均耒穿透面板；面板穿透时，波动期较短，下降期较长。另外，接触力下降过程分为快速下降，接着出现一个平台，然后快速下降到0。

2、结果与讨论。当冲击能量很小时，受冲面板物质点的震荡速度小，整个结构的变形处于弹性范围内。冲击产生的弹性波应力幅值较小，结构损伤不明显。随着冲击能量的增加，应力水平提高，最大接触力增大。当应力幅值足够大时，会引起面板分层、芯体破坏、纤维断裂、面板穿透。这些损伤的产生及扩展将导致载荷突降与波动，改变接触力-时间曲线的形状。在冲击能量变大过程中，会出现最大接触力的阈值，达到阈值后，最大接触力基本保持不变。

四、面板厚度的影响

1、试验现象。C组试件中，当2.131kg冲头以1.00J的能量冲击0.648mm厚的面板时，接触力-时间段是对称形状，接触力上升段和下降段持续时间相等，不存在载荷波动段。当2.131kg冲头以1.00J的能量冲击0.432mm的面板时，接触力-时间段不再对称，出现明显的波动段，最大接触力减小，冲击时间延长，冲击后出现凹坑。

2、结果与讨论。正六边形蜂窝是一种典型的多胞材料，具有良好的缓冲吸能特性，质量轻，比能量吸收率高。薄面板蜂窝的缓冲吸能作用比厚面板更明显，结构刚度更小，接触力水平更低，冲击持续时间更长。然而，薄面板的凹坑较深，容易穿透。

五、冲击损伤

典型的面板损伤无损检测结果如图2所示。面板未穿透时的损伤区域检测结果如图2(a)所示，试件编号为E2-V1.23-M2.631-P3，分层损伤区域的直径为15mm，约为冲头直径的1.2倍，分层损伤仅在冲击点很小的范围内。面板穿透时的损伤区域检测结果如图2(b)所示，试件编号为E4-V1.74-M2.631-P3，分层损伤区域直径为23mm，约为冲头直径的1.8倍，损伤在冲击点附近扩展，但范围较小，主要失效模式为纤维断裂及面板穿透。

图2

六、结论

冲击能量对复合材料蜂窝夹层结构的接触力响应和损伤影响较大。当冲击能量较小时，接触力-时间段较光滑，无突降，成对称形状，最大接触力小；随着冲击能量的增大，会出现一个波动段，最大接触力会增大，当达到阈值后基本保持不变。对于本文研究的复合材料蜂窝夹层结构，冲击过程中的损伤面积较小。面板未穿透时，损伤面积约为冲头直径的1.2倍；面板穿透时，损伤面积约为冲头直径的1.8倍。

参考文献：

[1]寇长河.复合材料蜂窝夹层结构低速冲击后的压缩[J].北京航空航天大学学报，2015(05)．

[2]谢宗蕻.复合材料蜂窝夹层结构低速冲击损伤扩展特性[J].南京航空航天大学学报，2015(01)．