蜂窝夹芯板疲劳研究进展

蜂窝夹芯板在航空航天领域的应用越来越广泛,其应用过程中出现的疲劳问题也日渐突出,目前关于其疲劳问题的研究还很少,研究采用的试验方法也各不相同,且不同试验方法下,蜂窝夹芯板的疲劳过程具有较大差异。本文回顾了蜂窝夹芯板的疲劳研究进展,通过对比不同试验方法下蜂窝夹芯板的疲劳损伤过程,总结出其疲劳性能的异同点;通过介绍蜂窝夹芯板的疲劳试验方法、疲劳损伤过程、疲劳寿命预测方法以及疲劳寿命曲线,指出了蜂窝夹芯板疲劳寿命领域值得研究的问题以及需要进一步关注的方向。     

碳纤维/ 环氧树脂层压板的冲击损伤

介绍了碳纤维/环氧树脂层压板冲击试验方法、低速冲击损伤模式、损伤破坏检测方法,总结了近年来冲击后剩余强度、疲劳性能及有限元数值模拟方面的研究进展,并对复合材料冲击方面进一步的研究进行了展望。     

增材制造钛合金微桁架夹芯板低速冲击响应

增材制造技术能够制造复杂点阵结构。相比于传统的加工工艺,可以一次成型,克服了低速冲击下传统工艺芯层与面层在连接点处易发生脱粘的问题。利用低速落锤试验装置对增材制造面心立方（FCC）夹芯板和体心立方（BCC）夹芯板进行了低速冲击试验,获得了两种微桁架点阵夹芯板的破坏模式和冲击响应曲线。低速冲击下,微桁架夹芯板上面层在冲击部位产生局部凹坑,并出现裂纹,其余部位没有大变形。试验结果表明在相同能量冲击下,BCC夹芯板的凹坑深度要小于FCC夹芯板,BCC夹芯板的抗冲击性能要优于FCC夹芯板;建立有限元模型,较好地表征了低速冲击过程中微桁架结构的损伤。发现在低速冲击过程中,对于两种微桁架点阵夹芯板,冲击能量主要由上面层和芯层吸收;冲击能量改变,夹芯板各部分吸能百分比变化较小。BCC夹芯板和FCC夹芯板结构稳定,整体性好;低速冲击下,FCC夹芯板最先发生破坏的部位是上面层与芯层连接处;而BCC夹芯板最先发生破坏的部位是中间竖直桁架。     

低速冲击下金属蜂窝夹芯板抗侵彻性能的试验研究

利用落锤冲击试验系统,研究了金属蜂窝夹芯板在低速冲击载荷作用下的抗侵彻行为。试验获得了平头、半球形和锥形锤头冲击下蜂窝夹芯板的破坏模式和力-位移曲线,分析了锤头形状和芯材厚度对夹芯板最终破坏模式、力-位移曲线和临界破坏能量的影响。试验结果表明:夹芯板在平头、半球形和锥形锤头冲击下上面板分别产生了圆形剪切、圆形拉伸和钻石形的最终失效模式,下面板的最终失效模式分别为圆形剪切、瓣形开裂和瓣形开裂;金属蜂窝夹芯薄板在锥形锤头和半球形锤头冲击下的力-位移曲线会出现单峰模式,金属蜂窝夹芯厚板在锥形锤头和半球形锤头冲击下的力-位移曲线则是双峰模式,而在平头锤头冲击下的金属蜂窝夹芯板的力-位移曲线均为双峰模式;金属蜂窝夹芯薄板抵抗半球形锤头侵彻的能力最好,抵抗平头锤头侵彻的能力最差,而金属蜂窝夹芯厚板抵抗锥形锤头侵彻的能力最好,抵抗平头锤头和半球形锤头侵彻的能力较差。     

含低速冲击损伤层合板的压缩破坏研究

层合板低速冲击后的压缩破坏研究对于复合材料结构设计具有重要意义.按照ASTM D 7136、D 7137试验标准对CCF300/5228层合板进行低速冲击和压缩试验;基于累积损伤理论,以低速冲击数值仿真得到的损伤作为初始损伤,结合应变失效准则和材料性能退化方法,建立含低速冲击损伤层合板的压缩破坏分析模型;使用该模型研究CCF300/5228层合板的损伤演化过程和剩余压缩强度.结果表明：该模型能够较好地解释试验过程中的损伤现象,预测含冲击损伤层合板的剩余压缩强度;损伤扩展和破坏模式与试验结果一致性好.     

含冲击损伤复合材料层合板疲劳试验研究

针对两种不同铺层顺序的T300／BMP316复合材料层合板，进行了低速冲击后不同应力水平下的等幅拉一拉疲劳试验。结果表明：低速冲击后，材料疲劳寿命的对数与应力水平成线性关系；在低应力水平下，层合板的主要疲劳损伤模式为分层，而在高应力水平下，其主要疲劳损伤模式为纤维断裂；随着疲劳应力水平的降低，层合板内损伤面积增加且刚度退化幅度变大。     

复合材料机匣冲击后的力学性能分析

应用三维逐渐累积损伤理论及有限元分析技术,对复合材料机匣的冲击性能及冲击后在静载工况下的力学性能进行了分析.结果表明,冲击后机匣内部会产生基体开裂、基体挤压破坏、分层和纤维断裂等微观损伤;对于所研究的机匣,当冲击能超过26J后,在给定的静载工况下,其冲击损伤会大面积扩展.      

SACMA和QMW试验方法对复合材料层合板低速冲击后压缩行为的影响

采用了 SACMA标准和一种小试样试验方法对复合材料层合板低速冲击后的压缩 (CAI)行为进行试验研究 ,从层合板的冲击损伤分布、冲击后压缩破坏过程 ,以及层合板的准静态横向压缩、开孔后压缩等多方面进行对比 ,结果表明 ,这两种试验方法存在很大差别 ,试验方法不同 ,层合板低速冲击后的压缩行为也不同 ;采用 SACMA标准所测得的低速冲击后压缩强度更能全面反映基体韧性的优劣。作为 CAI试验标准 ,小试样试验方法还有待改进     

复合材料加筋壁板多点冲击损伤和高周剪切疲劳试验

为研究多点冲击损伤和高周剪切疲劳对复合材料加筋壁板损伤演化、屈曲行为及破坏模式的影响，制作了9块相同构型的复合材料加筋壁板，设计了冲击试验、高周剪切疲劳试验和剩余剪切强度试验。在多点冲击和高周剪切疲劳试验过程中，使用超声C扫描系统监测了损伤区域。C扫描图像表明损伤区域的长度和宽度随着循环次数的增加而增加。与无预制损伤试验件相比，多点冲击损伤和高周剪切疲劳试验件的平均破坏载荷下降了约50%。冲击或疲劳形成的初始损伤对破坏模式产生影响，冲击疲劳试验件出现了局部蒙皮屈曲变形，破坏裂纹非常接近冲击点。      

镍基粉末冶金高温合金的压缩疲劳性能研究

对镍基粉末冶金高温合金的压缩强度和压缩疲劳性能进行了试验,结合拉-拉应变疲劳试验数据,证明粉末冶金高温合金具有良好的耐压能力,抗压强度极限比抗拉强度极限高出约50%。不同载荷形式的疲劳试验结果发现,粉末冶金高温合金试样的压-压疲劳性能十分优良,不易产生压缩疲劳破坏。对试样的破坏断口进行了扫描电镜分析,初步分析了材料在不同疲劳载荷作用下的细观破坏机理。      

低速冲击对K-cor夹层结构力学性能的影响

K-cor夹层结构是应用Z-pin技术增强的一种新型高性能夹层结构,本文基于落锤冲击实验对低速冲击下K-cor夹层结构的力学性能进行了研究,结合红外无损检测和冲击后压缩强度（CAI）试验,对不同Z-pin植入参数和芯材厚度对K-cor试样的冲击损伤阻抗进行了深入研究。研究结果表明：K-cor夹层结构的芯材越厚,则其冲击损伤面积越大,但剩余压缩强度比越高;在不超过植入间距的前提下,增加Z-pin的折弯长度能显著的降低K-cor结构冲击后的损伤面积,提高压缩强度;在相同芯材密度的情况下,提高Z-pin的折弯长度比增大植入密度更有利于减少K-cor试样冲击后的损伤面积,提高试样的压缩强度和其剩余压缩强度比。     

X-cor夹层结构低速冲击实验和数值模拟研究

X-cor泡沫夹层结构是一种通过Z-pin技术增强泡沫夹芯的新型高性能夹层结构。在低速冲击下,X-cor夹层结构损伤失效机制复杂,通过在不同能量阶段对X-cor夹层结构失效行为进行分析,讨论Z-pin植入体积分数和泡沫芯材密度对失效行为的影响。低速冲击试样规格为Z-pin直径0.5 mm、植入角度为22°,分别改变泡沫类型和Zpin植入体积分数进行实验,结果表明:6 J冲击能量下,冲击能量主要由面板分层承担,相对于未植入Z-pin试样,随着Z-pin植入体积分数的升高,面板分层面积最多减少了45.1%,而泡沫密度对分层面积影响不大;12 J冲击能量下,部分Z-pin发生失效,通过剩余压缩强度比发现,随着Z-pin植入体积分数的增加,剩余压缩强度比先增大后减小,植入体积分数为0.42%时最高,而此时泡沫密度增加,剩余压缩强度比也随之增加;当能量到达18 J时,芯材开始出现剪切裂纹,同时吸收大部分能量,较弱的芯材剩余压缩强度比大,而Z-pin植入体积分数越大,剩余压缩强度比反而越小。采用数值模拟的方法建立低速冲击模型,并将冲击后的结果直接传递应用于剩余压缩强度模型中,得到的结果比实验值偏高25%~29%。     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

轻质量低成本无人机舵面结构优化与验证

复合材料蜂窝夹芯结构因其高比强度、比模量及可设计性而广泛应用于航空飞行器结构。文章提出了 1种轻质量、低成本舵面结构方案——通过增大蜂窝芯密度使其剪切模量提高,进而降低复合材料面板应力水平,减小面板厚度。首先,根据理论选择通过增大蜂窝密度提升蜂窝剪切模量;然后,对结构进行有限元计算与分析,发现蒙皮应力水平随蜂窝芯剪切模量增大而显著降低;最后,设计不同蜂窝芯密度的蜂窝夹芯结构进行试验。试验结果证明,蜂窝芯越致密,其典型力学性能越高,冲击后的剩余强度也越高。     

不同酚醛树脂对芳纶纸蜂窝性能的影响

为研究酚醛树脂对芳纶纸蜂窝性能的影响,本文采用两种不同的酚醛树脂制备芳纶纸蜂窝芯材,对所制备蜂窝芯材的压缩性能和剪切性能进行测试,同时结合蜂窝端面树脂分布观察、树脂与芳纶纸接触角测量等方法,分析了两种树脂所制备蜂窝芯材性能出现差异的原因,结果表明：树脂中溶剂水的挥发速度、树脂与芳纶纸之间的表面张力会影响树脂在蜂窝壁上的树脂分布;蜂窝芯材树脂含量相同时,其节点两侧的树脂胶柱有利于提高蜂窝芯材压缩强度,但树脂堆积在节点后会降低蜂窝壁厚,造成蜂窝的剪切强度和模量下降。     

压差载荷对蜂窝夹层结构分层扩展影响研究

复合材料蜂窝夹层结构随飞机起飞-巡航-降落过程中,反复经受内外压差载荷。为研究地空地压差载荷对复合材料蜂窝夹层结构中蒙皮和蜂窝之间胶接面分层扩展行为的影响,设计了可叠加压差疲劳载荷谱和压缩疲劳载荷谱的试验装置,对含预埋分层的复合材料蜂窝夹层平板开展了重复载荷试验研究,一组试验施加压缩疲劳载荷谱,另一组试验施加压缩疲劳载荷谱叠加地空地压差载荷谱。破坏试验件的剖切检查表明预埋分层沿垂直于压缩载荷方向在胶接层内扩展。在约80%极限载荷水平的压缩疲劳载荷谱下,分层初始经历一段缓慢扩展,达到一定程度后开始加速扩展直至破坏。叠加的压差载荷谱使分层扩展速率显著加快。基于试验构型的有限元仿真分析表明压差载荷作用下蒙皮与蜂窝之间的面外剥离应力是导致损伤扩展加快的主要原因。     

蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展

综述了有关铝蜂窝芯、芳纶纸蜂窝芯及其复合材料在制造工艺上的研究成果;蜂窝夹层结构复合材料在隔音、隔热、耐老化、冲击性能等方面的最新研究进展,并对蜂窝夹层结构复合材料的研究方向提出了几点建议.