玻璃密度板拉脱强度的研究

1 前 言

复合材料蜂窝夹层结构一般由上下面板、芯材、粘接层等组成,其上镶嵌有埋件,形成传力接头。埋件结构是结构设计中广泛使用的连接形式，是蜂窝结构与其他结构连接时的主要受力部件。根据制备工艺的不同，埋件分为预埋件和后埋件,埋件多使用金属埋件,多采用后埋工艺。目前埋件夹层结构的破坏机理尚不明确,埋件的拉脱强度一般通过试验获得。

本文采用玻璃密度板G1040.25"预埋于0.4mm厚碳纤维材料面板纸窝芯(6.34 mm厚)的夹层结构中。研究结果表明，随着预埋件直径增加,拉脱载荷不断增加,但当预埋件直径大于30mm后，预埋件直径的增加对拉脱载荷的提高已经没有意义,这主要是因为面板出现了皱褶失稳破坏。

2 拉脱强度试验

2.1 试验件

夹层结构拉脱强度试验件示意图如图1所示，阴影区域为预埋玻璃密度板，中间开孔处安装螺栓。

2.1.1试验件材料

试验件采用碳纤维材料面板和Nomex蜂窝的夹层结构,主要材料如表1所示。

2. 1.2 试验件矩阵(见表2)

试验件编号按以下格式命名:例如:S1PG10-203-0101

段“S1”表示一种夹层结构铺层;

第二段“PG10”表示填充玻璃板(G10-t0.25")拉脱强度试验;

第三段“203”表示填充直径为20 mm,安装螺栓NAS6303- 8(螺栓直径为4.8mm) ;“204”表示填充直径为20 mm,安装螺栓NAS6304-8(螺栓直径为6.4 mm) ;以此类推;

第四段“0101”表示01块大板上的01号试验件，以此类推,序号增加。

2.2 试验过程

2.2.1 试验安装

不同预埋件直径的试验件对应不同的夹具,D为20mm试验件对应的夹具间隙孔直径为140 mm,D为30 mm试验件对应的夹具间隙孔直径为180mm,D为40 mm试验件对应的夹具间隙孔直径为240 mm,间隙孔直径为夹具孔直径。

试验安装时,为保证安装后试验件居中,安装前需在试验机底板上标记安装位置,安装后采用铅锤检查是否居中，如果不居中，调整试安装位置直至居中。

本试验紧固件NAS6303-8(螺栓直径为4.8mm)拧紧力矩预设为1.2N.m,紧固件NAS6304-8(螺栓直径为6.4 mm)拧紧力矩预设为2.4 N*m。

2.2.2 试验步骤

加载采用位移控,加载速率为2mm/min, 数据采样频率为20Hz。开启试验机,加载直至达到较大载荷,并且载荷从较大载荷下降30%为止,以防止因孔的大变形而掩盖真实的破坏形式。卸载,取下试验件,记录试验件较大破坏载荷和破坏形式及相应的载荷位移曲线。

3 试验结果与讨论

典型载荷位移曲线如图2所示，拉脱破坏载荷及破坏形式如表3所示。

加载过程中预埋件所在区域的上、下面板出现了明显的拉伸变形,这说明拉脱载荷通过预埋件、黏结剂传递给周围的蜂窝夹芯和面板。加载到较大载荷后，试验件发生脆性破坏，典型载荷位移曲线如图2所示。试验件的主要破坏形式为预埋件与蜂窝胶结处撕裂破坏和试验件边缘处皱褶失稳破坏。

由表3可知，预埋件直径为20mm时，拉脱载荷约为6200N,较许文彬等、李莺歌等43800N左右的类似金属后埋件结构，拉脱载荷有较大提高。这是由于采用预埋工艺,面板和埋件结合为整体,且埋件与蜂窝胶结接触面积增大,有效提高了拉脱载荷。

预埋件直径由20mm(夹具间隙孔直径为140mm)n)变为30mm(夹具间隙孔直径为180mm)时,破坏形式由预埋件与蜂窝胶结处撕裂或试验件边缘处皱褶失稳变为试验件边缘处皱褶失稳破坏。破坏载荷由6200N左右增加到8300N左右。

这主要是由于拉脱力经过周围的胶黏剂以剪切力形式传递给周围的蜂窝夹芯。随着埋件直径增加,有效剪切面积增加,剪切力增大,进而拉脱载荷增大。预埋件直径较小，预埋件周围的剪切力小于试验件皱褶稳定载荷，进而试验件预埋件与蜂窝胶结处撕裂破坏。预埋件直径较大，预埋件周围剪切力大于试验件皱褶稳定载荷，进而试验件边缘处皱褶失稳破坏。

预埋件直径由30mm(夹具间隙孔直径为180mm)变为40mm(夹具间隙孔直径为240mm),破坏形式均为试验件边缘处皱褶失稳破坏。破坏载荷由8300N左右降到7000N左右。

预埋件直径大于30mm,预埋件周围剪切力大于试验件皱褶稳定载荷,进而试验件边缘处皱褶失稳破坏。但预埋件直径为30mm时,试验夹具间隙孔直径为180mm,预埋件直径为40mm时，试验夹具间隙孔直径为240mm,间隙孔直径的增大,增加了附加弯矩,因弯矩增加而增加的载荷大于因预埋件直径增加而增大的载荷，进而拉脱载荷下降。

结论

(1)拉脱载荷主要通过预埋件、黏结剂传递给周围的蜂窝夹芯和面板;

(2)较类似金属后埋件结构的,拉脱载荷有较大提高;

(3)随着预埋件直径的增加,拉脱载荷不断增加;

(4)预埋件直径大于30mm后,预埋件直径增加对拉脱载荷的提高已经没有意义,这主要是因为面板已经开始皱褶失稳破坏。