玻璃密度板拉脫強度的研究

1 前 言

復合材料蜂窩夾層結構一般由上下面板、芯材、粘接層等組成,其上鑲嵌有埋件,形成傳力接頭。埋件結構是結構設計中廣泛使用的連接形式，是蜂窩結構與其他結構連接時的主要受力部件。根據制備工藝的不同，埋件分為預埋件和后埋件,埋件多使用金屬埋件,多采用后埋工藝。目前埋件夾層結構的破壞機理尚不明確,埋件的拉脫強度一般通過試驗獲得。

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

2 拉脫強度試驗

2.1 試驗件

夾層結構拉脫強度試驗件示意圖如圖1所示，陰影區域為預埋玻璃密度板，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蜂窩的夾層結構,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”表示一種夾層結構鋪層;

第二段“PG10”表示填充玻璃板(G10-t0.25")拉脫強度試驗;

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

不同預埋件直徑的試驗件對應不同的夾具,D為20mm試驗件對應的夾具間隙孔直徑為140 mm,D為30 mm試驗件對應的夾具間隙孔直徑為180mm,D為40 mm試驗件對應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,安裝前需在試驗機底板上標記安裝位置,安裝后采用鉛錘檢查是否居中，如果不居中，調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)擰緊力矩預設為1.2N.m,緊固件NAS6304-8(螺栓直徑為6.4 mm)擰緊力矩預設為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, 數據采樣頻率為20Hz。開啟試驗機,加載直至達到較大載荷,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的載荷位移曲線。

3 試驗結果與討論

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。

加載過程中預埋件所在區域的上、下面板出現了明顯的拉伸變形,這說明拉脫載荷通過預埋件、黏結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埋件與蜂窩膠結處撕裂破壞和試驗件邊緣處皺褶失穩破壞。

由表3可知，預埋件直徑為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構，拉脫載荷有較大提高。這是由于采用預埋工藝,面板和埋件結合為整體,且埋件與蜂窩膠結接觸面積增大,有效提高了拉脫載荷。

預埋件直徑由20mm(夾具間隙孔直徑為140mm)n)變為30mm(夾具間隙孔直徑為180mm)時,破壞形式由預埋件與蜂窩膠結處撕裂或試驗件邊緣處皺褶失穩變為試驗件邊緣處皺褶失穩破壞。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,進而拉脫載荷增大。預埋件直徑較小，預埋件周圍的剪切力小于試驗件皺褶穩定載荷，進而試驗件預埋件與蜂窩膠結處撕裂破壞。預埋件直徑較大，預埋件周圍剪切力大于試驗件皺褶穩定載荷，進而試驗件邊緣處皺褶失穩破壞。

預埋件直徑由30mm(夾具間隙孔直徑為180mm)變為40mm(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破壞。破壞載荷由8300N左右降到7000N左右。

預埋件直徑大于30mm,預埋件周圍剪切力大于試驗件皺褶穩定載荷,進而試驗件邊緣處皺褶失穩破壞。但預埋件直徑為30mm時,試驗夾具間隙孔直徑為180mm,預埋件直徑為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埋件直徑增加而增大的載荷，進而拉脫載荷下降。

結論

(1)拉脫載荷主要通過預埋件、黏結劑傳遞給周圍的蜂窩夾芯和面板;

(2)較類似金屬后埋件結構的,拉脫載荷有較大提高;

(3)隨著預埋件直徑的增加,拉脫載荷不斷增加;

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