民用飛機貨艙地板夾層結構基本力學性能研究

程文禮，王燕*，于洪斌，杜宇，羅玉清，陸志遠，張強

(1.中航復合材料有限責任公司，北京 101300；2.中國飛機強度研究所，西安 710065)

隨著社會經濟的發展，交通運輸領域特別是航空交通領域，面臨著兩項任務：結構整體減重和降低油耗的效益問題。目前，由于蜂窩夾層復合材料具有質量輕、彎曲剛度與強度大、抗失穩能力強、耐疲勞、吸聲、隔聲和隔熱性能好等優點，長期以來備受航空領域的關注。在航空工業發達國家，蜂窩夾層結構復合材料己大量應用于飛機內飾結構[1-5]。傳統的飛機地板客貨艙地板采用金屬結構，每塊地板有幾百個鉚釘和螺釘，還需要用彈性襯墊與機身結構隔離，因而成本昂貴。而采用復合材料可以大大提高地板結構的強度、剛度、疲勞和防腐蝕性能，可以把連接件減少一個數量級，顯著減輕地板結構重量[6-7]?？湛虯380、A350、波音777、787等飛機型號的地板均選用復合材料夾層結構以提高服役時間，降低運行成本[8]。

國內復合材料夾層結構在飛機地板應用的研究起步較晚，目前主要地板材料仍以進口為主。本研究主要針對國產民用大飛機地板蜂窩夾層結構，開展玻璃纖維增強改性環氧樹脂預浸料/Nomex蜂窩夾層結構地板的長梁彎曲極限載荷、沖擊強度和滾筒剝離強度的影響因素及規律研究，為夾層結構地板在國產大飛機上的應用奠定技術基礎。

1 實驗部分

1.1 原材料

實驗采用的玻璃纖維增強改性環氧樹脂預浸料及Nomex蜂窩芯材為中航復合材料有限責任公司自研材料，膠膜選用黑龍江石油化工研究院研制的改性LWF-2C。其具體物理特性見表1。

表1 原材料及性能

1.2 成型工藝

由于共固化工藝只需一次成型，制造周期短，工藝成本低，適用于平板或型面簡單的制件[9]，因此本研究采用共固化熱壓罐工藝制備蜂窩夾層結構。具體操作為：將下面板預浸料—膠膜—蜂窩—膠膜—上面板預浸料依次鋪貼好，定義預浸料經向平行于蜂窩芯的W方向，封裝后在熱壓罐內進行固化。以0.5～3 ℃/min升溫速率升至(130±3)℃，保溫2 h后，以不高于2 ℃/min的降溫速率降溫至60 ℃以下卸壓出罐。

1.3 實驗件規劃

為研究鋪層方式、蜂窩高度、膠膜對夾層結構力學性能的影響規律，規劃了一系列實驗。具體試驗矩陣見表2。

表2 實驗矩陣

1.4 力學性能測試

按ASTM D 5420、ASTM D 1781、ASTM C 393 分別測試蜂窩板的沖擊、滾筒剝離和長梁彎曲(上面板為加載區)性能。表3為測試樣品的尺寸及測試標準。

表3 測試項目及標準

3 結果與討論

3.1 鋪層對蜂窩夾層結構力學性能的影響

為考察面板鋪層對夾層結構性能影響，對比實驗件1/2/3測試結果，由圖1(a)可以看出：當上面板采用相同鋪層時，夾層結構L和W向長梁彎曲強度隨下面板鋪層數量增加而增大；當下面板采用相同鋪層時，夾層結構L和W向長梁彎曲強度隨上面板鋪層數量增加而增大；上、下面板鋪層總數一樣時，下面板鋪層增加可以顯著提高L和W向長梁彎曲強度。從試樣破壞模式可以看出，實驗件1和3的L和W方向長梁彎曲破壞模式均為下面板拉伸破壞、芯子破壞、上面板蜂窩與面板脫粘，如圖2(a)、(c)、(d)；實驗件2均為下面板拉伸破壞，如圖2(b)、(d)?？梢钥闯?，下面板鋪層數量是影響長梁彎曲強度的主要因素，原因是下面板是整體結構的薄弱區，由于下面板鋪層較少、整體強度小，因此實驗過載過程中上下面板中的等效應力(式1)基本相同，下面板最先出現破壞。

圖1 鋪層對性能的影響

圖2 不同鋪層的長梁彎曲破壞模式圖

(1)

式中：σ——面板的等效應力；

P——施加載荷；

t——面板厚度；

S——載荷跨距；

b——試樣寬度；

c——蜂窩厚度；

d——試樣總厚度。

根據實驗件1/2/3結構沖擊強度結果圖1(b)可以看出，上面板鋪層越多，夾層結構沖擊強度越大，下面板鋪層數量對沖擊強度幾乎無影響；主要原因是在實驗沖擊能量下，試驗件的上面板主要承受沖擊載荷，由破壞模式圖3可以看出，沖擊后的試驗件主要是上面板發生穿透破壞，下面板未破壞。

圖3 夾層結構沖擊后的破壞模式

另外，根據實驗件1/2/3剝離強度結果[圖1(c)]可以看出，現有實驗結構的鋪層對夾層結構的剝離強度基本無影響。由破壞模式圖4可以看出，夾層結構剝離后的破壞模式主要為面板-芯子膠接面剝離破壞。

圖4 夾層結構剝離后的破壞模式

3.2 蜂窩高度對夾層結構力學性能的影響

為考察蜂窩高度對夾層結構性能影響，對比實驗件4/5/6測試結果，從圖5(a)可以看出：在實驗高度范圍內，蜂窩高度越大，夾層結構的L和W向長梁彎曲強度越大，主要是蜂窩夾層結構傳遞載荷方式類似于工字梁，上、下面板主要承受由彎矩引起的面內拉壓應力及面內剪應力。芯材主要承受由橫向力產生的剪應力，圖6為彎曲載荷下的夾層結構受力情況。隨著夾層高度的增加，截面慣性矩增大，結構的彎曲剛度得以提高。從圖5(b)、(c)可以看出：在實驗高度范圍內，蜂窩高度對沖擊強度和滾筒剝離強度基本無影響。

圖5 蜂窩高度對性能的影響

圖6 夾層結構在彎曲載荷下受力情況[10]

3.3 膠膜對蜂窩夾層結構力學性能的影響

為考察膠膜對夾層結構性能影響，對比實驗件7/8/9測試結果，由圖7(a)可以看出，L向及W向長梁彎曲強度隨膠膜厚度的增加而增大，沒有膠膜的性能最低。由圖8長梁彎曲破壞模式可以看出長梁彎曲破壞模式為下面板拉壞，上面板脫粘、芯子破壞，其中，采用LWF-2C-0.16 mm膠膜的實驗件膠膜與面板脫粘面積略少于采用LWF-2C-0.11 mm膠膜的試驗件，說明在實驗的膠膜厚度下，較厚的膠膜有利于提高膠接強度。沒有膠膜的膠接界面強度最低，說明膠膜可以明顯改善面板與蜂窩芯間的粘接強度，是影響夾層結構長梁彎曲強度的主要原因之一。

圖7 膠膜對性能的影響

圖8 不同膠膜長梁彎曲破壞模式

由圖7(b)可以看出，膠膜厚度及有無膠膜對夾層結構的沖擊強度有一定影響，采用LWF-2C-0.16 mm膠膜的沖擊強度略大于0.11 mm膠膜，二者均大于無膠膜狀態。對于剝離強度，LWF-2C-0.16 mm膠膜的剝離強度略大于0.11 mm膠膜，且二者均顯著大于無膠膜狀態。由破壞模式可以看出，有膠膜的實驗件，剝離破壞以膠膜的內聚破壞為主[圖9(a)]，沒有膠膜的蜂窩與面板脫粘[圖9(b)]。說明膠膜的存在使面板與蜂窩芯間的粘接強度明顯提高。

圖9 不同膠膜剝離破壞模式

4 結論

(1)對于本研究的鋪層組合，增加下面板鋪層數有利于提高夾層結構長梁彎曲強度；增加上面板鋪層數量可提高抗沖擊性能，鋪層數量對滾筒剝離強度基本無影響。

(2)芯材厚度增加會提高夾層結構長梁彎曲強度，但對沖擊強度和滾筒剝離強度基本無影響。

(3)不同膠膜對力學性能有一定影響，采用膠膜膠接有利于提高夾層結構長梁彎曲、剝離強度及沖擊強度。