【最新录用】编委李亚智教授团队：蜂窝夹层结构弯曲疲劳寿命预测研究

文摘科技 2024-10-17 16:02 陕西

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蜂窝夹层结构弯曲疲劳寿命预测研究

文章亮点：复合材料夹层板兼具轻质高承载特性，但也面临多样的失效模式，深入研究其性能与失效机理，对确保结构安全与效能至关重要。针对一种玻璃纤维/氰酸酯织物层压面板和Nomex蜂窝复合的夹层板，采用特殊设计的试验夹具，开展三点弯曲静力和疲劳试验，分析该夹层板的弯—剪承载特性，观察其疲劳损伤和失效现象；同时，根据夹层板承力特点，对受面内力的面板和受面外剪切的芯材分别建立疲劳损伤模型，借助夹层板等效有限元模型，预测夹层板弯曲疲劳寿命。结果表明：所推荐的分析方法能合理地反映夹层板弯曲疲劳损伤过程，疲劳寿命预测结果略为保守，与实测寿命误差属于可接受范围。

研究背景：不断提高的服役性能和愈加严酷的使用环境，对飞行器结构的轻量化、强度和耐久性提出了很高的要求。复合材料夹层板结构因其在这些方面的独特优势而成为研究与应用的热点。

夹层板的潜在失效模式包括面板拉伸破坏、面板压缩失稳、芯材剪切失稳或压溃以及面板与芯材之间的胶层失效，对夹层结构完整性构成主要挑战。研究人员从试验和计算两方面对夹层结构的静力和疲劳性能开展了研究。Wu X R等通过压缩和弯曲实验研究了Nomex蜂窝夹层结构的静态和疲劳行为，发现其主要破坏模式为芯部起皱、屈曲、面板断裂和分层；李云鹏等比较了三种蜂窝夹层结构弯曲性能测试方法，结果显示采用ASTM方法的数据离散度大，可信度低，采用弯曲性能均值法提高了数据一致性，而侧压法在考虑面板刚度后，尽管测得值偏低，但离散度最小，结果最为可靠；蔡豫晋等探究了热压罐成型中芳纶纸蜂窝夹芯部件的开裂问题，结合试验与数值模拟发现，热应力不影响开裂，而局部真空压力差是主要原因，胶层破坏阈值与初始强度正相关，随受损胞元增多而下降，为理解开裂机理及优化成型工艺提供了依据；Hegde等通过显微观察监测了不同的面板和芯材厚度的夹层结构在热疲劳过程中的裂纹扩展演化，发现面板较薄、芯部较厚的夹芯板在经受热疲劳时更容易受到损坏；Solmaz等对不同面板材料、面板厚度和孔尺寸的蜂窝夹层复合材料在低速冲击损伤下的弯曲疲劳行为进行了研究，发现增加芯材高度对疲劳强度起到的作用最大；孔沼等考察了弱蜂窝夹层板长期自然老化后的弯曲性能，利用试验与有限元模拟结合Hashin准则，结果显示，老化导致弯曲强度稍增，稳定性良好，下方板断裂为典型失效模式，且模拟与实验结果高度一致，验证了研究方法的准确性；Ma M Z等研究了三点弯曲荷载作用下蜂窝夹芯板的疲劳损伤，并依据挠度的演化规律将损伤分为快速下降阶段、稳态下降阶段和破坏阶段，而后选择残余刚度作为损伤参数有效预测了复合材料蜂窝夹芯板在疲劳过程中的挠度变化；文涛对复合材料蜂窝夹层板的冲击后面外压缩疲劳性能进行了研究，结构表明低速冲击会大幅降低夹层板的抗疲劳性能；Ma M Z等对复合材料蜂窝夹层结构进行了振动疲劳试验，发现夹层结构在随机振动载荷作用下的破坏模式与恒振幅载荷作用下的破坏模式均为芯材剪切破坏。

夹层板的疲劳寿命预测研究早期由Huang等率先探索，他们认为当夹层板存在初始裂纹时，首次失效从微裂纹处开始，因此采用Paris定律来描述芯材的微裂纹扩展；而在结构没有初始裂纹时，则采用Basquin定律、Coffin-Manson定律来分别预测芯材高周疲劳和低周疲劳时的疲劳裂纹扩展。Burman等采用双参数Weibull曲线拟合得出不同应力比下的S-N曲线，提出一种利用剩余强度预测含损伤夹层结构梁疲劳寿命的模型；Amit等采用Basquin提出的S-N曲线形式对蜂窝夹层板三点弯曲疲劳寿命进行了预测，结果与试验数据吻合较好。

总之，对复合材料夹层结构的静力性能研究较多，疲劳损伤演化规律与疲劳寿命预测方法的研究相对较少，分析方法或较为粗浅，或拘泥于细节，尚难为夹层结构的工程设计提供指南。

本文观点：

1）本文提出了一种夹层板疲劳寿命分析方法，应用夹层板组分材料在若干典型载荷（应力）状态下的疲劳特性，建立疲劳损伤模型，结合有限元应力分析，形成实际夹层结构的疲劳寿命预测完整流程，方法简便实用，分析结果合理。

2）所研究夹层板三点弯曲静力和疲劳失效模式均表现为加载区和支撑区之间的芯材失效。静力失效模式为芯材的瞬间剪切失稳；疲劳失效模式为面外剪切引起芯材中微裂纹萌生、扩展、贯通，形成主裂纹，并持续扩展至芯材—面板界面导致两者分离，最终引起整体弯曲失稳。

作者简介：

李亚智，西北工业大学航空学院教授、硕/博士导师，中国航空学会高级会员，中国复合材料学会高级会员，陕西省力学学会理事，《复合材料学报》和《航空工程进展》期刊编委，多个国内外知名学术期刊审稿人。在固体力学和飞行器强度领域长期从事理论和应用研究，研究方向涉及金属和复合材料结构的疲劳强度、稳定性、损伤与断裂、耐久性与损伤容限等方法及相关试验技术。主持科研项目40多项，发表学术论文130余篇，授权专利9项。1989年-1991年在美国麦道飞机公司担任应力分析工程师、高级工程师；2003年-2004年在英国Cranfield大学做访问学者；2008年担任中国商飞大型客机联合工程队论证专家。

董帆，西北工业大学航空学院博士研究生，主要研究方向为复合材料疲劳断裂、健康监测和无损检测，师从李亚智教授。参与多项科研项目，发表学术论文3篇，申请发明专利3项。

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