玻璃密度板拉脫強(qiáng)度的研究

1 前 言

復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)一般由上下面板、芯材、粘接層等組成,其上鑲嵌有埋件,形成傳力接頭。埋件結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)設(shè)計中廣泛使用的連接形式，是蜂窩結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)連接時的主要受力部件。根據(jù)制備工藝的不同，埋件分為預(yù)埋件和后埋件,埋件多使用金屬埋件,多采用后埋工藝。目前埋件夾層結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理尚不明確,埋件的拉脫強(qiáng)度一般通過試驗獲得。

本文采用玻璃密度板G1040.25"預(yù)埋于0.4mm厚碳纖維材料面板紙窩芯(6.34 mm厚)的夾層結(jié)構(gòu)中。研究結(jié)果表明，隨著預(yù)埋件直徑增加,拉脫載荷不斷增加,但當(dāng)預(yù)埋件直徑大于30mm后，預(yù)埋件直徑的增加對拉脫載荷的提高已經(jīng)沒有意義,這主要是因為面板出現(xiàn)了皺褶失穩(wěn)破壞。

2 拉脫強(qiáng)度試驗

2.1 試驗件

夾層結(jié)構(gòu)拉脫強(qiáng)度試驗件示意圖如圖1所示，陰影區(qū)域為預(yù)埋玻璃密度板，中間開孔處安裝螺栓。

2.1.1試驗件材料

試驗件采用碳纖維材料面板和Nomex蜂窩的夾層結(jié)構(gòu),主要材料如表1所示。

2. 1.2 試驗件矩陣(見表2)

試驗件編號按以下格式命名:例如:S1PG10-203-0101

段“S1”表示一種夾層結(jié)構(gòu)鋪層;

第二段“PG10”表示填充玻璃板(G10-t0.25")拉脫強(qiáng)度試驗;

第三段“203”表示填充直徑為20 mm,安裝螺栓NAS6303- 8(螺栓直徑為4.8mm) ;“204”表示填充直徑為20 mm,安裝螺栓NAS6304-8(螺栓直徑為6.4 mm) ;以此類推;

第四段“0101”表示01塊大板上的01號試驗件，以此類推,序號增加。

2.2 試驗過程

2.2.1 試驗安裝

不同預(yù)埋件直徑的試驗件對應(yīng)不同的夾具,D為20mm試驗件對應(yīng)的夾具間隙孔直徑為140 mm,D為30 mm試驗件對應(yīng)的夾具間隙孔直徑為180mm,D為40 mm試驗件對應(yīng)的夾具間隙孔直徑為240 mm,間隙孔直徑為夾具孔直徑。

試驗安裝時,為保證安裝后試驗件居中,安裝前需在試驗機(jī)底板上標(biāo)記安裝位置,安裝后采用鉛錘檢查是否居中，如果不居中，調(diào)整試安裝位置直至居中。

本試驗緊固件NAS6303-8(螺栓直徑為4.8mm)擰緊力矩預(yù)設(shè)為1.2N.m,緊固件NAS6304-8(螺栓直徑為6.4 mm)擰緊力矩預(yù)設(shè)為2.4 N*m。

2.2.2 試驗步驟

加載采用位移控,加載速率為2mm/min, 數(shù)據(jù)采樣頻率為20Hz。開啟試驗機(jī),加載直至達(dá)到較大載荷,并且載荷從較大載荷下降30%為止,以防止因孔的大變形而掩蓋真實的破壞形式。卸載,取下試驗件,記錄試驗件較大破壞載荷和破壞形式及相應(yīng)的載荷位移曲線。

3 試驗結(jié)果與討論

典型載荷位移曲線如圖2所示，拉脫破壞載荷及破壞形式如表3所示。

加載過程中預(yù)埋件所在區(qū)域的上、下面板出現(xiàn)了明顯的拉伸變形,這說明拉脫載荷通過預(yù)埋件、黏結(jié)劑傳遞給周圍的蜂窩夾芯和面板。加載到較大載荷后，試驗件發(fā)生脆性破壞，典型載荷位移曲線如圖2所示。試驗件的主要破壞形式為預(yù)埋件與蜂窩膠結(jié)處撕裂破壞和試驗件邊緣處皺褶失穩(wěn)破壞。

由表3可知，預(yù)埋件直徑為20mm時，拉脫載荷約為6200N,較許文彬等、李鶯歌等43800N左右的類似金屬后埋件結(jié)構(gòu)，拉脫載荷有較大提高。這是由于采用預(yù)埋工藝,面板和埋件結(jié)合為整體,且埋件與蜂窩膠結(jié)接觸面積增大,有效提高了拉脫載荷。

預(yù)埋件直徑由20mm(夾具間隙孔直徑為140mm)n)變?yōu)?0mm(夾具間隙孔直徑為180mm)時,破壞形式由預(yù)埋件與蜂窩膠結(jié)處撕裂或試驗件邊緣處皺褶失穩(wěn)變?yōu)樵囼灱吘壧幇欛奘Х€(wěn)破壞。破壞載荷由6200N左右增加到8300N左右。

這主要是由于拉脫力經(jīng)過周圍的膠黏劑以剪切力形式傳遞給周圍的蜂窩夾芯。隨著埋件直徑增加,有效剪切面積增加,剪切力增大,進(jìn)而拉脫載荷增大。預(yù)埋件直徑較小，預(yù)埋件周圍的剪切力小于試驗件皺褶穩(wěn)定載荷，進(jìn)而試驗件預(yù)埋件與蜂窩膠結(jié)處撕裂破壞。預(yù)埋件直徑較大，預(yù)埋件周圍剪切力大于試驗件皺褶穩(wěn)定載荷，進(jìn)而試驗件邊緣處皺褶失穩(wěn)破壞。

預(yù)埋件直徑由30mm(夾具間隙孔直徑為180mm)變?yōu)?0mm(夾具間隙孔直徑為240mm),破壞形式均為試驗件邊緣處皺褶失穩(wěn)破壞。破壞載荷由8300N左右降到7000N左右。

預(yù)埋件直徑大于30mm,預(yù)埋件周圍剪切力大于試驗件皺褶穩(wěn)定載荷,進(jìn)而試驗件邊緣處皺褶失穩(wěn)破壞。但預(yù)埋件直徑為30mm時,試驗夾具間隙孔直徑為180mm,預(yù)埋件直徑為40mm時，試驗夾具間隙孔直徑為240mm,間隙孔直徑的增大,增加了附加彎矩,因彎矩增加而增加的載荷大于因預(yù)埋件直徑增加而增大的載荷，進(jìn)而拉脫載荷下降。

結(jié)論

(1)拉脫載荷主要通過預(yù)埋件、黏結(jié)劑傳遞給周圍的蜂窩夾芯和面板;

(2)較類似金屬后埋件結(jié)構(gòu)的,拉脫載荷有較大提高;

(3)隨著預(yù)埋件直徑的增加,拉脫載荷不斷增加;

(4)預(yù)埋件直徑大于30mm后,預(yù)埋件直徑增加對拉脫載荷的提高已經(jīng)沒有意義,這主要是因為面板已經(jīng)開始皺褶失穩(wěn)破壞。