含分层缺陷复合材料夹芯梁力学特性及失效模式的试验研究

发布时间：2020-02-04 05:30

【摘要】：为研究分层缺陷对复合材料夹层结构承载特性的影响,对含面芯分层缺陷的复合材料夹芯梁开展了系列轴向压缩试验,采用高速摄影仪记录结构的变形形态及破坏过程,对结构出现的欧拉屈曲、剪切屈曲、局部面板褶皱、纤维压缩破坏等失效模式进行分析,并探讨了梁长度、表层厚度、芯层厚度、缺陷尺寸等参数对结构承载特性的影响。试验结果表明:表层厚度对结构的失效模式及承载能力有着直接影响;对于贯穿型矩形缺陷,当缺陷因子μ≥0.05时,结构发生局部屈曲失效;局部屈曲为非稳态失效,当面板出现局部褶皱后,面芯分层缺陷迅速沿轴向向两端扩展,扩展路径可由面芯界面层进入芯层,造成芯层的剪切破坏。
【图文】：

示意图,试件,示意图,芯层

度Ｓ＝６８．５ＭＰａ。芯层为ＤｉｖｉｎｙｃｅｌｌＨ１００聚氨酯泡沫，密度ρ＝１００ｋｇ／ｍ３，压缩模量Ｅｃ＝１３５ＭＰａ，，拉伸模量Ｅｔ＝１３０ＭＰａ，剪切模量Ｇｃ＝３５ＭＰａ，泊松比μ＝０．４，压缩强度Ｃ＝２ＭＰａ，剪切强度Ｓ＝１．６ＭＰａ。在表层与芯层界面处，置入聚四氟乙烯薄膜预制贯穿型矩形面芯脱粘缺陷件，试件均单侧含缺陷，缺陷处用红色进行标记，缺陷侧记为Ｎ侧，非缺陷侧记为Ｓ侧。１．２试验方案夹芯梁试件几何参数如图１所示，试件共包括Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个系列，分别讨论长度、表层厚度、芯层厚度、缺陷尺寸对极限承载及屈曲特性的影响。试件编号及几何参数情况如表１所示。面内压缩试验在ＭＴＳ万能试验机上进行，试验机量程为５０ｋＮ。试件底端采用刚性法兰固定，顶部采用滑动约束，并以０．３ｍｍ／ｍｉｎ速率施加轴向位移压缩载荷。采用ＡＰＸ１２型高速摄影机捕捉试件在不同阶段的变形情况及失效过程。图１试件示意图Ｆｉｇ．１Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ·６６·海军工程大学学报第２８卷

剪切屈曲,芯层,欧拉

００２１６１１０Ｂ４４００５００４１６１１０Ｃ１４００５００２６２１０Ｃ２４００５００２１０２１０Ｃ３４００５００２１６２１０Ｄ１４００５００２１６２１０Ｄ２４００５００２１６２２０Ｄ３４００５００２１６２４０２试验结果分析２．１典型破坏模式由试验结果可将复合材料夹芯梁破坏模式归纳为弹性欧拉屈曲、芯层剪切屈曲、局部面板褶皱、芯层剪切破坏、面板压缩失效等形式。下面选取典型的失效模式进行分析。１）整体屈曲。当面芯脱粘缺陷尺寸较孝试件长度较大时，易发生整体屈曲失效。图２为欧拉屈曲，图３为芯层剪切屈曲，均属于整体屈曲，两者主要区别为芯层变形形态不同。欧拉屈曲最明显的特征是整个结构呈现半波弯曲形态，芯层随面板发生弯曲。由于试件仅单侧含有面芯缺陷，Ｎ侧刚度较低通常出现凹变形，Ｓ侧出现凸变形；当结构的面板刚度较大、芯层刚度较小时，易发生芯层剪切屈曲。芯层剪切屈曲中芯层几乎不随面板发生转动，呈剪切破坏模式，但两侧面板仍可以继续承载，最后面板出现压缩破坏（见图３）。图２欧拉屈曲Ｆｉｇ．２Ｅｕｌｅｒｂｕｃｋｌｉｎｇ图３芯层剪切屈曲Ｆｉｇ．３Ｃｏｒｅｓｈｅａｒｂｕｃｋｌｉｎｇ２）局部屈曲。当Ｎ侧面板较雹刚度较小或缺陷尺寸较大时，Ｎ侧面板易出现局部屈曲，局部屈曲的主要特征是面板出现局部褶皱、短波弯曲形态。图４为混合屈曲形态，在轴向压缩载荷作用下，试件首先出现整体屈曲形态，呈半波型弯曲变形。随后，夹芯梁的Ｎ侧面板出现反向的局部褶皱，并伴随面芯脱粘区域的迅速扩展。由于缺陷侧面板较薄，很快出现纤维压缩破坏，导致结构丧失承载能力。图５为对称型局部屈曲形态。

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