DOI：10.19936/jki.2096-8000.20210328.008
张铁纯1，张世秋1，王轩1*，周春苹2，王付胜3
(1.中国民航大学航空工程学院，天津300300； 2.航空工业济南特种结构研究所高性能电磁窗航空科技重点实验室，济南250023；
3.中国民航大学中欧航空工程师学院，天津300300)
摘要：为了研究不同修补方式和修补参数对平纹编织面板泡沫夹芯结构侧向压缩性能的影响，对完好试验件和单侧面板修补、单侧面板加芯材修补、双侧面板加芯材修补试验件进行侧向压缩试验。试验结果表明：单侧面板修补方式的侧向压缩强度高于其他两种修补方式；单侧面板修补时，面板挖补倾角比例越小，试验件侧向压缩强度越低；附加层重叠宽度对试验件侧向压缩强度影响很大；修补后试验件的侧向压缩模量比完好件均有所提升；单侧面板修补时，改变挖补倾角比例，不影响试验件侧向压缩模量，合适的附加层重叠宽度对试验件侧向压缩模量的提高有积极影响；修补方式和修补参数的变化不影响试验件的破坏模式，平纹编织面板泡沫夹芯复合材料侧向压缩的破坏模式为泡沫芯材破裂后，面板局部无支撑受压弯曲导致的整体结构破坏；面板的破坏形式主要为面板端部弯曲、面板中部弯曲、面板皱折和面板纤维断裂。
关键词：平纹编织；复合材料；修补；泡沫夹芯结构；侧向压缩
中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2021)03-0051-09
1前言
雷达罩的面板材料一般为树脂基玻璃纤维复合材料［1］，玻璃纤维平纹编织层合板是机载雷达罩复合材料结构面板的常见形式，使用的芯材主要有蜂窝和泡沫两种。泡沫芯材中，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI 泡沫)因具有耐温高、尺寸稳定性好、强度高等优异性能，尤其是能够承受高性能树脂基复合材料的高温高压固化工艺，可以实现与预浸料的共固化，在机载雷达罩结构的应用中越来越受到青睐［2］。机载雷达罩在使用中常受到冲击等损伤，必须对其进行修补以恢复其承载能力。并且机载雷达罩结构常处于侧向受压状态［3］，因此研究平纹编织面板泡沫夹芯结构修补后的侧向压缩性能具有重要工程价值。
目前，关于复合材料结构的侧向压缩性能的研究有很多。其中，李建国⑷进行了复合材料冲击后压缩的强度试验研究，认为复合材料的局部屈曲是最常见的压缩破坏形式。喻梅等［5］认为，在一般情况下，复合材料层合板挖补修理后单向压缩，最佳挖补角为5°。王轩等［6,7］在蜂窝夹芯结构侧压性能研究中观察到，蜂窝芯和胶层在两侧自由端中间部位应力较为集中，容易首先发生破坏，无损试验件受整体结构屈曲行为控制，单侧面板穿孔件受面板基体抗压缩能力控制。周春苹等［3］在表面划伤对平纹
编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能的影响研究中发现面板出现屈曲行为，面板的屈曲现象会使蜂窝芯面外应力增大，导致蜂窝芯出现剪切失效。郑吉良等［8］在蜂窝夹芯板侧向压缩破坏机制研究中发现破坏方式主要分为3种类型，即面板折断、夹芯板屈曲失稳和夹芯板中面板与蜂窝芯脱粘。王宝芹等［9］在蜂窝夹层复合材料结构稳定性研究中发现，在轴向压缩载荷作用下，蜂窝夹层复合材料结构先发生失稳，然后迅速破坏。Gd-outos［10］对单向碳/环氧面层聚氯乙烯闭孔泡沫芯材夹层梁的失效模式进行了观察和研究，认为其失效模式包括芯材失效、面板受压起皱和面板受压凹陷。Fleck等［11］对闭孔聚氯乙烯泡沫芯和玻璃纤维增强环氧树脂面板组成的夹芯结构进行侧压试验，观察到几种竞争性破坏模式，即剪切宏观屈曲、欧拉宏观屈曲和面板微屈曲，并给出了各破坏模式下失效载荷的计算公式。刘国春等［12］在复合材料夹芯结构挖补修理压缩性能研究中，由实验结果判断复合材料夹芯结构没有发生胶层破坏。王凯伦等［13］在对薄蜂窝复合材料夹芯结构的侧压性能试验研究中发现，芯材的 高度严重影响复合材料蜂窝夹芯结构的失稳载荷和峰值载荷，上下面板的刚度不同显著影响整个复合材料蜂窝夹芯结构的失稳载荷与峰值载荷的比例。刘遂等［14］在对胶接后边缘闭合蜂窝夹芯板侧压性能进
收稿日期：2020-08-06
基金项目：航空科学基金(20181867007)；中国民航大学中央高校基本科研业务费项目(3122019099)
作者简介：张铁纯(1972-)，男，硕士，副教授，主要研究方向为飞机结构与系统持续适航技术。
通讯作者：王轩(1982-)，男，博士，副教授，主要研究方向为复合材料结构适航与维修，xuwangaero@163 。
行研究后，建议在实际修理中尽可能选择对称的修理方案以避免附加弯矩对结构承载能力造成的不利影响。目前对于平纹编织面板泡沫夹芯复合材料结构修补后力学性能的研究较少，且没有给出不同修补方式和修补参数对其侧向压缩性能的影响。
本文通过开展平纹编织面板泡沫夹芯结构修补后侧向压缩性能试验，研究修补方式和修补参数对其侧向压缩强度、侧向压缩模量和破坏模式的影响。
2试验件
完好试验件参考ASTM(American Society for Testing Materials)D7137[15]进行设计，具体的长、宽和厚分别为150mm,100mm和6.5mm，如图1所示。平纹编织面板由3层玻璃纤维预浸料3218/SW280A 制作而成，单侧面板厚度为0.75mm；芯材为PM1泡沫Cascell®WH，密度为75kg/m3，厚度为5mm；胶膜型号为SY-24Co固化过程在热压罐中进行，面板和胶膜同时进行固化，加热固化温度为130兀，保温2h，固化时热压罐压力为(0.25±0.035)MPa。
图1试验件尺寸示意图
Fig.1The size of the specimen
为了模拟面板的损伤，对完好试验件在单侧面板进行开孔处理，孔深为单侧面板的厚度，即0.75 mm，孔直径为15mm，制成受损试件。为简化操作，对芯材不进行损伤处理，当某种修补方式需要修补芯材时，默认芯材修补直径为面板开孔直径。
试验件修补方式和对应修补参数如表1所示，面板修补均采用挖补形式进行修补。单侧面板加芯材的修补方法示意图如图2所示，图中标识宽度d 为附加层与母板的重叠宽度,h为挖补角a对应的修补区域面板的厚度,L为挖补角a对应的修补区域面板的宽度。表1中面板挖补倾角比例为d:L，为便于比较不同挖补倾角，将挖补倾角比例统一书写为1：x的形式。单侧面板加芯材的修补俯视图如图3所示，图中的「如、①d3分别为第1、2、3层圆形补片的直径，0为圆形附加层的直径。需要单侧面板加芯材修补的试验件，首先去除原有泡沫芯，然后将修补面板部位加工至所要求的倾角比例，填充新的芯材，在填充泡沫芯的周围涂泡沫胶，然后依次铺贴1层胶膜、4层预浸料，其中最外侧一层为附加层，如图2所示，加压固化即可。需要单侧面板修补的试验件与单侧面板加芯材修补试验件的面板修补方法相同，不同的是不用再对芯材做修补处理。双侧面板加芯材修补的试验件分两次进行修补，如图4所示，待修补部位面板加工至要求的倾角比例后，先进行泡沫芯的填补，泡沫芯周围填充泡沫胶，然后在一面依次铺贴1层胶膜、4层预浸料，加压固化，单侧面板和芯材修补完成后再进行另一侧面板的修补。
表1试验矩阵
Table1The matrix of the specimens
试验件
类别
修补方式
面板挖补附加层重叠试验件
倾角比例宽度/m m数量xb00完好试验件--6
xb11单侧面板修补试验件1：22156
xb12单侧面板加芯子修补试验件1：22156
xb13双侧面板加芯子修补试验件1：22156
xb21单侧面板修补试验件1：10156
xb22单侧面板修补试验件1：20156
xb23单侧面板修补试验件1：30156
xb31单侧面板修补试验件1：22156
xb32单侧面板修补试验件1：22206
xb33单侧面板修补试验件1：22256
Fig.2Schematic diagram of the repair method
with the single side panel and core
150
图3单侧面板加芯材修补俯视图
Fig.3Top view of single-sided panel and core material
repair
图4双侧面板加芯材的挖补方式示意图Fig.4Schematic diagram of the scarf repair method
with the double sides panel and core
修补采用烘箱真空压力固化，固化压力为0.1 MPa，固化温度和时间与预浸料相同。修补后面板状况如图5所示。
图5修补后面板照片
Fig.5Photograph of the panel to be repaired
3试验装置
侧向压缩试验在INSTRON5982型电子万能材料试验机上进行。加载速度为1.25mm/min，环境温度为25C，相对湿度为65%o使用ASTM D7137标准中规定的压缩夹具。
参考ASTM D7137标准，将应变片布置于试件的上端，每侧面板布置两个，两个应变片距试验件的左(右)侧边和上侧边的距离均为25mm。应变片引线连接到数据采集设备XL2101C程控静态电阻应变仪，
应变仪和电脑相连接，便于数据的保存与整理。根据应变片采集到的试验件两侧的应变数据可以判断试验件在压缩过程中发生弯曲的程度及是否存在屈曲现象，后面对侧向压缩模量的计算也要用到应变片采集的数据。
4结果讨论与分析
4.1侧向压缩强度
侧向压缩强度恢复率是衡量试件修补后侧向压缩性能的主要参数之一。试验件侧向压缩强度的试验结果如表2所示，修补后试验件侧向压缩强度的计算基于公式(1)：
F
max
5二〒(1)其中:d为侧向压缩强度,MPa；F max为失效前的最大压缩载荷,N；4为横截面积,mm2,A二h-w,h为试验件的宽度⑴为试验件的厚度。
为了对比修补后试验件侧向压缩强度恢复程度，采用归一化的侧向压缩强度恢复率进行评估，见公式(2):
式中:”0为完好试验件的平均侧向压缩强度;”为归一化后的试验件的平均侧向压缩强度恢复率;”d1为试验件平均侧向压缩强度。归一化后的试验件平均侧向压缩强度恢复率如图6所示。
表2试验件侧向压缩强度
Table2The edgewise compression strength of the specimen 试验侧压试验侧压试验侧压试验侧压试验侧压件强度件强度件强度件强度件强度编号/MPa编号/MPa编号/MPa编号/MPa编号/MPa xb00-131.04xb12-139.39xb21-136.50xb23-143.97xb32-138.66 xb00-230.01xb12-234.39xb21-243.38xb23-227.97xb32-233.96 xb00-350.60xb12-320.61xb21-342.19xb23-330.60xb32-341.68 xb00-444.80xb12-444.14xb21-443.16xb23-433.44xb32-423.71 xb00-550.34xb12-524.43xb21-535.51xb23-522.36xb32-529.19 xb00-645.99xb12-633.07xb21-642.22xb23-638.37xb32-622.76 xb11-143.85xb13-117.85xb22-144.89xb31-133.15xb33-119.70 xb11-223.33xb13-229.34xb22-243.36xb31-235.47xb33-230.76 xb11-339.59xb13-346.30xb22-344.50xb31-332.39xb33-339.31 xb11-444.53xb13-430.15xb22-421.96xb31-439.51xb33-421.39 xb11-542.78xb13-530.86xb22-540.64xb31-543.46xb33-527.57 xb11-626.50xb13-626.92xb22-623.36xb31-643.93xb33-625.06
图6不同修补方式或参数的试验件的
平均侧向压缩强度恢复率
Fig.6The recovery rate of average edgewise compressive strength of specimens using different repair methods or
parameters
从图6中的xb00、xb11、xb12、xb13四组数据可以看出，采用单侧面板修补方式的侧向压缩强度最高，而双侧面板加芯材修补方式的侧向压缩强度最低。采用单侧面板修补的试验件侧向压缩强度恢复率最高
为87.26%，有较高的修复效率，采用双侧面板加芯材修补的试验件侧向压缩强度恢复率仅为71.77%，为三种修补方式中侧向压缩强度恢复率最低的。可见在单侧面板受损时，仅考虑修补后试验件能获得最大侧向压缩强度时，最佳修补方式为单侧面板修补，最差修补方式为双侧面板加芯材修补。
聂恒昌等［16］在复合材料胶接修理层合板拉伸试验中注意到修理后母板开孔边缘垂直于加载方向的对称轴位置处应力最大，原因是开孔导致母板中间沿加载轴的传载路径被切断，开孔上下两侧旁路载荷增大，故应力集中最为明显。因此对于单侧面板修理试验件，只有一侧面板的中间有孔，传载路径被切断得最少，整个结构仅有这一处应力较为集中。而单侧面板加芯材修补试验件有两处传力路径被切断，分别是芯材中部修补区和一侧面板的中部修补区，此时整个结构有两处应力集中。双侧面板加芯材修补试验件有三处传力路径被切断，即夹芯结构两侧面板中部修补区和芯材的中部修补区，此时整个结构有三处应力集中。应力集中区域越多，试验件在承受同样大小的载荷时越更易被破坏，因为复合材料制件本身可能存在着各种各样的缺陷，这些缺陷在应力集中时不利于试验件承受更大的载荷，所以应力集中区域产生最少的单侧面板修补试验件的侧向压缩强度最高。
郭杏林等［17］在对复合材料蜂窝夹层结构的修补研究中发现，修补后结构的不对称对刚度有较大影响，特别是在压缩载荷作用下，试件有可能产生提前破坏。双侧加芯材修补使试件双侧面板的刚度都发生了相同的变化，在侧向压缩的过程中，整个结构的变形和受力都更加均匀，这提升了试验件的侧向压缩强度。但试验件两侧面板同时受到挖补处理，去除母板太多，试验件侧向压缩强度降低较多。最终试
验件修补结构对称带来的结构强度上升，不足以弥补双侧加芯材修补方式中两侧面板挖修带来的母板强度的降低，双侧面板加芯材修补试验件的侧向压缩强度依然较低。
改变面板挖补倾角比例，由于面板厚度不变，即面板挖补深度不变，实际上是改变了面板挖补区域的大小，修补时三层补片中的中间层补片大小可以客观反映面板挖补区域的大小。层合板贴补技术很早就被运用于复合材料修补，应用成熟，可靠度高，有很多理论成果，可以借助贴补的理论来分析层合板挖补倾角比例对试验件侧向压缩强度的影响。由于挖补是按照一定倾角比例来进行的，可以将中间层补片的大小等效为复合材料层合板贴补修补中损伤孔径的大小，将附加层视为贴补补片。将补片和附加层的具体尺寸、试验件的侧向压缩强度恢复率列表，如表3所示。
表3补片和附加层尺寸与侧向压缩强度恢复率对比表Table3Comparison table of patch and over-ply size and edgewise compression strength recovery rate
面板挖补补片直径附加层直径等效损伤孔侧向压缩强
d()/de
倾角比例/mm d()/mm直径d e/mm度恢复率/% 1：1020,25,304525 1.8096.12
当当改装网1：2025,35,456035 1.7186.54
1：3032,46,607546 1.6377.82
从表中可以看出，随着面板挖补倾角比例减小，试验件的侧向压缩强度恢复率下降。张婕等［18］在研究中也发现试验件无论在拉伸还是压缩载荷作用下，结构强度基本都随挖补倾角比例减小而减小，认为挖补倾角比例的增大使母板被挖去的体积减小，母板承载能力增强。
吕胜利等［19］在复合材料层板贴补修理优化研究中认为，当补片直径与损伤孔直径的比小于2倍时，增大补片直径可以提高修补结构强度。此文献结论通过本文试验再次得到了验证，挖补倾角比例为1：10的试验件，即附加层直径与等效损伤孔直径比为1.80的试验件，相比于直径比为1.71和直径比为1.63的试验件，即挖补倾角比例为1：20和1：30的试验件，能取得最大侧向压缩强度恢复率。在补片直径与损伤孔径比小于2倍时，提高补片与等效损伤孔的直径比可以增大补片在整个结构中的承载比例，因此可以提高修补强度。
从表4中数据可以看出，虽然挖补倾角比例在减小时，增大了附加层与母板的实际胶接面积，看似有利于承载，但附加层直径与等效损伤孔径之比却在减小，实际胶接面积代表了修补的“胶接效果”，而等效损伤孔面积代表了修补的“损伤效果”。在不同的挖补倾角比例下，为了量化描述修补的“胶接效果”与修补的“损伤效果”，将附加层与母板实际
胶接面积和等效损伤孔面积进行对比，如表4所示。可见随着面板挖补倾角比例的减小，附加层与母板
的实际胶接面积和等效损伤孔的面积都在增加，但其面积比却在减小，也就是说修补“胶接效果”并没有修补“损伤效果”增加得多，所以在宏观上看到试验件的侧向压缩强度恢复率在不断降低。
表4附加层与母板实际胶接面积和
等效损伤孔面积对比表
Table4Comparison table of actual bonding area and equivalent damage hole area of over-ply and motherboard
面板挖补倾角比例实际胶接面积
s0/mm2
等效损伤孔
面积s1/mm2
面积比
/s1
侧向压缩强度
恢复率/%
1：10883.13314.00 2.8196.12
1：201236.38961.63 1.2986.54
1：301589.631661.060.9677.82
从表中的数据对比来看，将层合板挖补修补方法中的修补参数进行适当的等效转化后，能够用成熟的层合板贴补理论预测其侧向压缩强度恢复率。但这一等效转化也是有限制的，之所以将附加层与层合板贴补修补中补片相比较，是因为在本试验中面板仅由3层预浸料组成，非常薄，附加层虽只有一层，依然可以对面板强度有很大的影响。另外补片处于试验件中部，根据在实际试验时观察可知，面板中部常处于鼓起状态，这一点将在下文破坏模式中解释，附加层与母板直接胶接可以对面板中部提供支持，这就导致附加层在整个结构中异常重要。
从图6中可知，xb31、xb32和xb33三组试验件的侧向压缩强度值依次降低，在面板挖补倾角比例均为1：22时，增加附加层的重叠宽度，不仅不会增加试件的侧向压缩强度，反而使试验件侧向压缩强度降低，甚至附加层重叠宽度为25mm的单侧面板修补试验件的侧向压缩强度是所有修补方案中最低的，这
说明在单侧面板修补中，选用合适的附加层重叠宽度是很重要的。试验中采用15mm附加层重叠宽度修补时能获得最大的侧向压缩强度恢复率。
从图6中也能看到，单单因为附加层与原试件重叠宽度不同而造成试验件的侧向压缩强度恢复率最大可相差25.37%。这一部分试验不能用层合板贴补理论进行对比验证，因为此时附加层直径与当量损伤孔径之比均在2倍以上。在附加层直径与当量损伤孔径之比在2倍以内时，增加附加层与原件的重叠宽度明显有利于减缓受损侧面板的应力集中, Robson等［20］也发现在挖补结构中添加附加层可降低应力集中，提高结构的强度和刚度。但当附加层直径超过这一数值后，附加层对结构强度的增加不能再起更多积极的作用，更多要考虑其带来的不利影响，比如使面板刚度变得不均匀及更多的胶接缺陷引入等。刘国春等［21］在平纹编织复合材料修补附加层优化研究中认为，随着附加层重叠宽度的增加，存在一个最优的附加层重叠宽度，使结构强度最大，但在该尺寸附近，结构强度的变化剧烈。受试验件尺寸和成本限制，不能对每个附加层重叠宽度都进行侧向压缩试验，确定最佳附加层重叠宽度，可以在下一步的仿真中对该问题进行深入研究。另外附加层也改变了修补侧面板的抗压刚度，由于是单侧修补，导致泡沫夹芯结构两侧面板的刚度不同，附加层重叠宽度越大，对面板的刚度改变也就越大，在受压时整个结构受力和变形将更加不均匀，使试件更早地达到它的侧向压缩强度，这也会使较大附加层重叠宽度的试验件的侧向压缩强度变低。
4.2侧向压缩模量
侧向压缩模量是衡量修补后试验件侧向压缩性能的重要参数。修补后试件的侧向压缩模量如图7所示，对侧向压缩模量的计算参考了公式(3)［⑸: E=(P3000-P1000)/((S3000-S1000)*A)(3)其中:E为有效侧向压缩模量，MPa；P3000为对应于&3000处的施加力，N;P1000为对应于&1000的施加力，N；乞000为记录的最接近3000微应变的应变值;E1000为记录的最接近1000微应变的应变值。1000和3000微应变值的大小应该为基于所有四个应变计的平均应变。
xbOO xbll xbl2xbl3xb21xb22xb23xb31xb32xb33
试验件类别
图7不同修补方式下试验件的平均侧向压缩模量Fig.7The edgewise compression modulus of
specimen under different repair
methods
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