芯體壁厚對(duì)Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響

彭 蒙， 劉龍權(quán)， 趙 劍， 汪 海

(上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240)

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芯體壁厚對(duì)Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響

彭 蒙， 劉龍權(quán)， 趙 劍， 汪 海

(上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240)

基于虛擬實(shí)驗(yàn)法，發(fā)展了細(xì)觀有限元模型，研究了芳綸紙表面的樹脂涂層厚度對(duì)Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)及損傷情況的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樹脂涂層厚度越大，沖擊的接觸力峰值越大。若沖擊能量不足以穿透上面板，則蜂窩吸收能量隨樹脂涂層厚度的增大而提高；沖擊能量足以穿透上面板，則沖頭侵徹深度隨樹脂涂層厚度增大有明顯下降，同時(shí)蜂窩面外的損傷程度也降低。提高樹脂涂層厚度，對(duì)于提高Nomex蜂窩的抗穿透能力較為有效，但對(duì)損傷的面積影響較小。

Nomex蜂窩；壁厚；抗沖擊性能；虛擬實(shí)驗(yàn)；細(xì)觀模型

Nomex蜂窩由芳綸紙浸漬酚醛樹脂之后固化而成，具有阻燃、耐火、絕緣、強(qiáng)度/剛度高、構(gòu)型選擇多等優(yōu)點(diǎn)，成為航空夾層結(jié)構(gòu)最常用的芯體材料。然而在服役期間蜂窩夾層結(jié)構(gòu)對(duì)于所遭受的冰雹、跑道碎石以及工具掉落的沖擊損傷十分敏感[1-2]，可能導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能降低，進(jìn)而影響飛行安全。

蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沖擊過程涉及非線性及接觸問題，解析法求解困難，而實(shí)驗(yàn)法費(fèi)用高，在設(shè)計(jì)階段更需要依賴數(shù)值分析方法。通用數(shù)值法把蜂窩芯體等效為均質(zhì)材料，但該法用于分析Nomex蜂窩的細(xì)觀組分其力學(xué)性能的影響通常需要大量的蜂窩材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[3-7]。

虛擬實(shí)驗(yàn)法結(jié)合蜂窩的基本組分材料和必要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可用于預(yù)測(cè)組分材料和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷下的力學(xué)響應(yīng)和失效機(jī)制。本文將應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)的分析方法，構(gòu)建Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)細(xì)觀模型，并結(jié)合沖擊實(shí)驗(yàn)，分析蜂窩壁細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征對(duì)夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響。

1 蜂窩夾層板沖擊試驗(yàn)

1.1 試樣描述

Nomex正六邊形蜂窩的典型結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，厚度為20 mm，蜂格尺寸為3.2 mm，名義密度為48 kg/m3。其蜂窩壁是一種夾層結(jié)構(gòu)，芳綸紙外表面附有一定厚度的酚醛樹脂涂層，如圖1(b)所示。單層蜂窩壁及雙層蜂窩壁的材料厚度組成[tr/tp/tr]分別為[0.008/0.05/0.008]mm和[0.008/0.1/0.008] mm[8]。芳綸紙是一種芳綸纖維增強(qiáng)材料，縱向(Machine direction)和橫向(Cross-machine direction)的性能不同，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均表現(xiàn)為各向異性彈塑性，發(fā)生斷裂時(shí)的拉伸應(yīng)變較大，具有較好的延展性。酚醛樹脂則是各向同性彈脆性材料，失效應(yīng)變值較小。其中蜂窩芯體的厚度方向與芳綸紙的橫向一致[8]。

圖1 Nomex蜂窩結(jié)構(gòu)Fig.1 Nomex honeycomb structure

為符合蜂窩材料沖擊實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)——ASTM D3763-02[9]的要求，在蜂窩厚度方向的上下兩側(cè)黏接編織復(fù)合材料面板。所制成蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的總體鋪層順序?yàn)閇(±45)/(±45)/(±45)/C20/(±45)/(±45)]，其中“( )”表示一個(gè)編織鋪層，單層厚度為0.216 mm；“C20”表示厚度為20 mm的蜂窩夾層。所用編織復(fù)合材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

1.2 沖擊試驗(yàn)

依據(jù)ASTM D3763-02沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，應(yīng)用Instron Ceast 9350落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)上述蜂窩夾層試驗(yàn)件開展沖擊試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖2所示。試驗(yàn)件由兩個(gè)夾持環(huán)固定，沖頭為直徑為12.7 mm、質(zhì)量為2.631 kg的鋼質(zhì)半球形沖頭。

表1 編織復(fù)合材料性能參數(shù)[10]

通過改變沖頭高度，實(shí)現(xiàn)不同能量的沖擊。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖擊能量為2.2 J時(shí)，上面板出現(xiàn)凹坑，但未被擊穿，而當(dāng)沖擊能量為4.9 J時(shí)，上面板被完全擊穿。因此，主要選取這兩種沖擊工況，分析夾層結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征對(duì)沖擊力學(xué)響應(yīng)和失效模式的影響。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)設(shè)置和過程可參見文獻(xiàn)[11]。

圖2 沖擊試驗(yàn)示意圖Fig.2 Setup of the impact test

2 Nomex蜂窩夾層板沖擊數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格與約束

應(yīng)用通用顯式動(dòng)力分析程序LS-DYNA建立復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)沖擊有限元模型，模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。編織復(fù)合材料面板采用Solid單元模擬。Nomex蜂窩芯體采用Shell單元建立其細(xì)觀模型，并根據(jù)蜂窩壁的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)用Part_Composite確定蜂窩壁層壓板屬性。在厚度上分布3個(gè)積分點(diǎn)以代表酚醛樹脂和芳綸紙層，每層厚度與試驗(yàn)件實(shí)際尺寸一致。編織復(fù)合材料面板應(yīng)用。沖頭和夾持環(huán)均采用采用Solid單元模擬，并應(yīng)用Mat_Rigid賦予其剛體屬性。

固定上、下夾持圈并約束沖頭的x、y方向上的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，僅允許其在z方向上平動(dòng)。確保沖頭與上面板接觸時(shí)的初始速度分別為1.29 m/s和1.93 m/s，以分別獲得所需的沖擊能量，2.2 J和4.9 J。

2.2 接觸定義

考慮沖擊過程中沖頭、面板、蜂窩以及夾持環(huán)之間可能發(fā)生的所有接觸，建立以下接觸關(guān)系。① 應(yīng)用綁定約束模擬上下面板與蜂窩上下截面之間的黏結(jié)關(guān)系；② 應(yīng)用侵徹接觸模擬沖頭與面板之間的侵徹穿透過程；③ 應(yīng)用面面接觸建立面板被侵徹后沖頭與蜂窩壁之間的接觸關(guān)系；④ 應(yīng)用面面接觸建立面板上下表面與上下夾持環(huán)之間的接觸狀態(tài)；⑤ 應(yīng)用自接觸模擬沖擊過程中可能出現(xiàn)的面板與面板以及蜂窩壁與蜂窩壁之間的接觸。根據(jù)合金鋼、復(fù)合材料以及Nomex紙之間的摩擦因數(shù)，取以上②、③、④接觸關(guān)系中的摩擦因數(shù)均為0.1[12]，⑤接觸關(guān)系的摩擦因數(shù)為0.4[13]。

圖3 有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Finite element model

2.3 酚醛樹脂材料模型

酚醛樹脂為各向同性彈脆性材料，其密度ρresin=1 380 kg/m3[8,14]。圖4為本文采用的樹脂材料模型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。其中，彈性模量E=5 GPa，泊松比μ=0.389，拉伸強(qiáng)度ST=60 MPa，壓縮強(qiáng)度SC=180 MPa[14]。根據(jù)受力狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到失效強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力分別下降至拉伸或者壓縮強(qiáng)度的0.1倍。

圖4 酚醛樹脂應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 The stress-strain curve of the phenolic resin

2.4 芳綸紙材料模型

芳綸紙的密度為ρpaper=820 kg/m3，面內(nèi)剪切模量G12=1.26 GPa，泊松比μp=0.24[8]，其0°及90°的應(yīng)力應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為非線性，如圖5所示。采用多項(xiàng)式擬合得到二者的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式，當(dāng)未達(dá)到斷裂應(yīng)變時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足式(1)。

(1)

對(duì)于0°方向，彈性模量E1=3.26 GPa，非線性常數(shù)β1=4×104，拉伸失效應(yīng)變1f=0.073；對(duì)于90°方向，E2=2.24 GPa，β2=1×106，失效應(yīng)變?chǔ)?f=0.059。

圖5 芳綸紙應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 The stress-strain curves ofthe aramid paper

2.5 編織復(fù)合材料失效模型

本文所研究夾層板面板材料為編織復(fù)合材料，依據(jù)Yen失效準(zhǔn)則[15]，當(dāng)滿足以下表達(dá)式時(shí)，發(fā)生損傷起始。

(1) 經(jīng)向、緯向纖維拉伸斷裂失效

(2)

(3)

(2) 經(jīng)向、緯向纖維壓縮失效

(4)

(5)

(3) 面外基體壓潰失效

(6)

(4)基體面內(nèi)剪切失效

(7)

(5) 分層失效

(8)

式中：E為彈性模量，G為剪切模量，μ為泊松比，S為強(qiáng)度，ε是材料的工程應(yīng)變，下標(biāo)“L”、“T”、“Z”分別表示編織復(fù)合材料經(jīng)向、緯向以及厚度方向，上標(biāo)“T”、“C”分別表示拉伸和壓縮，ds表示面內(nèi)剪切非線性損傷因子。其中“〈 〉”表示麥考林符號(hào)，含義為：

(9)

以上材料模型均應(yīng)用UMAT子程序?qū)崿F(xiàn)。

3 結(jié)果驗(yàn)證

圖6 試驗(yàn)與數(shù)值模擬沖擊響應(yīng)對(duì)比Fig.6 Comparison of impact response between test and numerical simulation

圖6為試驗(yàn)與有限元計(jì)算分別得到的沖擊接觸力-時(shí)間曲線以及沖擊接觸力-沖頭位移曲線對(duì)比，二者結(jié)果較一致。模擬結(jié)果表明接觸力先穩(wěn)定上升，并在250 N左右時(shí)上升速率略有下降，此時(shí)面板產(chǎn)生分層損傷，。當(dāng)接觸力上升至670 N左右時(shí)，會(huì)產(chǎn)生突降，面板發(fā)生纖維斷裂損傷，接觸力隨時(shí)間上下波動(dòng)。其中2.2 J能量沖擊無面板穿透損傷，接觸力達(dá)到670 N左右后開始上下波動(dòng)，沖頭有少量反彈。而4.9 J能量沖擊產(chǎn)生了面板穿透，試驗(yàn)與有限元結(jié)果均顯示，接觸力最大值約為700 N左右。隨著上面板穿透，接觸力逐漸下降至150 N左右，直至下降為0 N，此時(shí)沖頭速度也下降為0，沖頭基本不反彈。圖6(b)可見，兩種能量沖擊載荷位移路徑基本一致，表明在本試驗(yàn)的速度閾值內(nèi)，有限元模型可忽略夾層板應(yīng)變率效應(yīng)的影響。

為觀察夾層板沖擊后面板和蜂窩的損傷情況，對(duì)沖擊后試驗(yàn)件案圖7所示位置進(jìn)行切割。表2為圖7所示沖擊區(qū)域的面板纖維斷裂損傷對(duì)比。由表2可見，有限元與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。對(duì)于2.2 J能量沖擊，面板呈十字型斷裂，損傷程度較低；對(duì)于4.9 J能量沖擊，面板先呈十字型斷裂，繼而在斷裂處損傷持續(xù)擴(kuò)展，最終產(chǎn)生面板穿透損傷。模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，面板會(huì)發(fā)生分層和面內(nèi)基體剪切失效。

圖7 試樣沖擊區(qū)域及切割位置Fig.7 Impact area and the cutting location of specimen

沖擊能量試驗(yàn)結(jié)果模擬結(jié)果2.2J4.9J

表3為圖7所示B-B截面的蜂窩芯體失效情況對(duì)比。分別顯示了數(shù)值模擬所得蜂窩壁內(nèi)側(cè)樹脂、芳綸紙以及外側(cè)樹脂的失效情況。對(duì)于2.2 J能量沖擊，模擬結(jié)果顯示芳綸紙的損傷較小，幾乎不可見，與試驗(yàn)觀察到的蜂窩損傷一致。然而在沖擊點(diǎn)周圍，蜂窩壁表面的樹脂損傷程度明顯。對(duì)于4.9 J能量沖擊，上面板被完全穿透，蜂窩芯體的變形及失效較嚴(yán)重，酚醛樹脂和芳綸紙的損傷均較為明顯，甚至發(fā)生了蜂窩壁撕裂損傷。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在沖擊過程中，沖擊點(diǎn)下方蜂窩壁表面樹脂首先破壞，繼而蜂窩壁產(chǎn)生折疊，最終蜂窩壁發(fā)生撕裂破壞。由于芳綸紙具有較好的延展性，其損傷程度較表面的樹脂輕。

表3 蜂窩失效的試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

4 樹脂涂層厚度的影響

4.1 蜂窩芯體密度

應(yīng)用以上模型，改變Nomex蜂窩壁表面樹脂厚度，分別取tr=0.004 mm、0.006 mm、0.008 mm、0.01 mm、0.012 mm五種厚度，保持其他參數(shù)不變，分別計(jì)算在的2.2 J和4.9 J時(shí)，不同含量樹脂蜂窩芯體的沖擊響應(yīng)與損傷情況，分析芯體樹脂含量對(duì)夾層板抗沖擊性能的影響。樹脂厚度改變將影響芯體的等效密度，根據(jù)文獻(xiàn)[16]給出的芯體等效密度公式，分別計(jì)算5種樹脂厚度的芯體等效密度，如表4所示。

表4 不同樹脂含量的蜂窩芯體等效密度

4.2 沖擊接觸力峰值

圖8為模型計(jì)算所得兩種能量沖擊的接觸力峰值對(duì)比。結(jié)果表明，Nomex蜂窩芯體樹脂含量越高，以Nomex蜂窩作為夾芯的復(fù)合材料夾層板的剛度越大，發(fā)生纖維拉伸斷裂的接觸力閾值越高，即接觸力峰值也越大。同時(shí)，高能量沖擊時(shí)，沖頭侵徹蜂窩芯體過程中穩(wěn)定接觸力大小也隨樹脂含量的提高而增大。而沖擊能量對(duì)接觸力峰值的影響較小。

圖8 不同樹脂含量的夾層板沖擊接觸力峰值對(duì)比Fig.8 The maximum impact force of honeycomb-cored sandwich with different resin volumes

4.3 蜂窩吸收能量

對(duì)于2.2 J能量沖擊，沖頭有反彈，沖擊能量并沒有被完全吸收；對(duì)于4.9 J能量沖擊，由于面板穿透，蜂窩的支撐載荷較小，沖頭不反彈，能量被完全吸收。圖9為不同樹脂含量的Nomex蜂窩芯體所吸收的能量E′與總沖擊能量E的比值結(jié)果發(fā)現(xiàn)，面板未被穿透時(shí)，Nomex蜂窩芯體內(nèi)樹脂涂層厚度越大，樹脂失效所吸收的能量越多，則芯體的能量吸收比也越大；而面板被穿透時(shí)，樹脂厚度對(duì)于蜂窩芯體所吸收能量影響較小，這是由于穿透時(shí)面板失效所吸收的能量相對(duì)固定，其余能量均被蜂窩芯體吸收。對(duì)于4.9 J沖擊，蜂窩吸收的能量約為總沖擊能量的24%左右。

圖9 不同樹脂含量的蜂窩芯體吸收能量對(duì)比Fig.9 The absorbed energy ratio of honeycomb core with different resin volumes

4.4 沖頭位移

圖10為沖擊不同蜂窩夾層板時(shí)沖頭的最大位移。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著蜂窩芯體表面樹脂厚度的增加，沖頭位移呈下降趨勢(shì)。若沖擊能量不足以穿透上面板時(shí)，沖頭位移下降速率較小；沖擊能量高至足以穿透上面板時(shí)，其下降速率明顯較大。因此提高蜂窩樹脂含量可有效提高夾層板的抗穿透能力。

圖10 不同樹脂含量的夾層板沖擊沖頭最大位移Fig.10 The maximum displacement of impactor on honeycomb sandwich with different resin volumes

4.5 蜂窩損傷情況

模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蜂窩的損傷情況在L和W方向上較為類似，損傷區(qū)域接近圓形。dr和hr分別為樹脂在面內(nèi)及厚度方向上的損傷區(qū)域尺寸，dp和hp為芳綸紙?jiān)诿鎯?nèi)及厚度方向上的損傷區(qū)域尺寸。2.2 J沖擊所產(chǎn)生的蜂窩損傷區(qū)域較小，不同樹脂含量的蜂窩損傷差別較小。圖11為4.9 J沖擊時(shí)不同樹脂含量的蜂窩損傷情況。結(jié)果顯示在面內(nèi)方向上酚醛樹脂和芳綸紙的損傷區(qū)域受樹脂含量的影響較小，而在厚度方向，酚醛樹脂和芳綸紙的損傷區(qū)域均隨樹脂含量的增大而減小。樹脂含量越少，沖頭侵徹越深，蜂窩在面外方向上的損傷也越嚴(yán)重。因此提高樹脂含量，對(duì)于減小Nomex蜂窩厚度方向上的損傷較為有效，而對(duì)面內(nèi)損傷影響較小。

圖11 4.9 J沖擊不同樹脂含量的蜂窩損傷面積Fig.11 The damage area of honeycomb core with different resin volumes and 4.9 J impact energy

5 結(jié) 論

應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)法，研究了Nomex蜂窩芯體內(nèi)不同酚醛樹脂涂層厚度對(duì)夾層板的抗沖擊性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：

(1) Nomex蜂窩芯體的樹脂涂層厚度增大可使蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的沖擊接觸力峰值提高。

(2) 若沖擊能量不足以穿透上面板，蜂窩芯體吸收能量隨樹脂含量增加而提高，但沖擊能量高至足以穿透上面板后，芯體吸收能量隨樹脂含量增加而無明顯變化。

(3) 提高樹脂涂層厚度，可顯著提高Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗穿透能力。

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Effects of resin layer thickness on impact resistance performance of nomex honeycomb sandwich structures

PENG Meng, LIU Longquan, ZHAO Jian, WANG Hai

(School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Based on the virtual test method, a meso-scale finite element model was developed and proposed to investigate the influences of resin layer thickness on impact responses and damage of Nomex honeycomb sandwich panels. Through the study, it was shown that the larger the resin layer thickness, the greater the impact force peak; the honeycomb’s absorpting energy increases with increase in resin layer thickness if the impact energy is not enough to penetrate the top face-sheet, however, the impact depth decreases greatly with increase in resin layer thickness if the impact energy is enough to perforate the top face-sheet; increasing resin layer thickness can significantly improve the penetration resistance ability of Nomex honeycomb sandwich structures, while it has smaller effects on the damage area.

nomex honeycomb; cell wall thickness; impact resistance performance; virtual test; meso-scale model

航天支撐基金(14GFZ-JJ02-043)

2015-03-26 修改稿收到日期：2015-10-16

彭蒙 男，碩士，工程師，1990年生

劉龍權(quán) 男，博士，助理研究員，1976年生

TB330.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.21.028