CN110207921B - 复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，先根据需设计的对比试块尺寸切割蜂窝芯形成蜂窝芯预制件，利用静压或低速冲击的方式使蜂窝芯失稳来产生损伤以模拟冲击导致的蜂窝芯子损伤，对蜂窝芯上芯子塌陷区进行修型后将含有芯子损伤的蜂窝芯预制件与上、下蒙皮固化形成对比试块。本发明能够真实模拟蜂窝夹芯结构中因冲击引起的各种损伤模式，采用以此方法制作的对比试块作为蜂窝夹芯结构检测时的设备调节基准，比采用现有损伤模拟方法预制的对比试块，能够更加精确的定量评价蜂窝夹芯结构因冲击引起的损伤程度，更有利于结构强度的正确评估和合理修理决策的制定。

Description

复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法

技术领域

本发明属于结构无损检测技术领域，具体涉及一种复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，特别是针对外来物低速冲击引起的蜂窝结构中芯子损伤的人工模拟方法。

背景技术

复合材料蜂窝夹芯结构是由上、下面板和中间蜂窝芯通过粘结层胶接而成(见图1)，具有轻质高强的性能在航空航天、船舶、火车等工业领域应用广泛。然而，这种结构在使用中对冰雹、跑道碎石、维修工具坠落等带来的低速冲击尤为敏感。低速冲击会造成蜂窝结构的面板分层或破损、面板与蜂窝芯脱粘以及蜂窝芯子褶皱或断裂损伤，而且芯子损伤范围往往远大于蒙皮损伤，见图2。

冲击损伤会带来蜂窝夹芯结构承载能力的显著降低，因此，必须采用无损检测技术手段来探测出蜂窝夹芯结构中由冲击引起的损伤区域及范围，以便对结构进行及时修理，恢复其承载能力。而对蜂窝夹芯结构进行无损检测时，检测灵敏度调节和损伤评判基准的建立是在对比试块上来进行的。因此，对比试块的制作直接影响着最终的检测结果。

对比试块是含有人工预置模拟损伤的与被检测对象材料和工艺相同或相近的样件，对比试块中人工模拟损伤制作的是否合理和准确将直接影响后续检测结果的正确性。目前，对于蜂窝夹芯结构无损检测对比试块中人工损伤的制作通常采用的方法主要有插入金属片固化后拔出预留空腔法、加膜法、背面钻平底孔法以及将蜂窝芯局部切除法等几种模拟方式，见图3、图4所示。

从图2所示的复合材料蜂窝夹芯结构的实际冲击损伤形态可以发现，图3、图4所示的目前现有的几种人工损伤模拟方法仅能模拟面板的分层损伤以及面板与蜂窝芯之间的脱粘损伤，但均不能有效模拟因冲击引起的蜂窝芯子损伤，这给实际冲击损伤检测中检测灵敏度的调节及缺陷评判标准的建立带来偏差，影响蜂窝夹芯结构中冲击损伤的检出能力和对损伤范围边界尺寸的定量测量。

发明内容

本发明是针对上述复合材料蜂窝夹芯结构对比试块制作过程中现有的人工损伤模拟方法不能有效模拟因冲击引起的蜂窝芯子损伤的技术难题，研究建立的一种接近真实损伤形态的蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法。

技术方案：

复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，包括如下步骤：

步骤一：通过对蜂窝夹芯结构冲击损伤进行数字仿真计算和真实冲击损伤蜂窝夹芯结构损伤区的断口观察，获取蜂窝夹芯结构冲击损伤特征，为冲击损伤的人工模拟提供基础；步骤二：根据需设计的对比试块尺寸切割蜂窝芯形成蜂窝芯预制件，利用静压或低速冲击的方式使蜂窝芯失稳来产生损伤以模拟冲击导致的蜂窝芯子损伤；步骤三：对蜂窝芯上因静压或低速冲击引起的芯子塌陷区进行修型，将塌陷的蜂窝芯壁拉伸与初始高度平齐并，修正并恢复受损蜂窝芯格的形状；步骤四：将修型后含有芯子损伤的蜂窝芯预制件与上、下蒙皮固化形成对比试块。

优选的，蜂窝夹芯结构冲击损伤特征包括蒙皮分层、蒙皮与蜂窝芯脱粘以及蜂窝芯子损伤特征。

优选的，步骤二中先制造不含上、下蒙皮的蜂窝芯预制件，并通过静压或低速冲击的方法来模拟冲击损伤；采用静压方式模拟时，通过有限元建模和局部静压数字仿真方式获取蜂窝芯预制件在压缩载荷下刚刚进入失稳状态的压缩位移值；然后，在试验机上根据仿真获得的压缩位移值进行压缩实验，使得蜂窝芯预制件的局部蜂窝芯进入失稳状态而产生损伤以模拟冲击引起的芯子损伤；当采用低速冲击方式模拟时，通过有限元建模和冲击仿真计算的方式获取蜂窝芯预制件在冲击载荷下达到预定失稳区尺寸时的冲击能量值，然后在自由落锤冲击试验机上按照冲击能量值进行冲击实验，使蜂窝芯进入失稳状态而产生损伤以模拟结构中自然冲击引起的芯子损伤；低速冲击实验时选用的球形冲头直径近似等于需模拟芯子损伤的直径。

优选的，步骤三中，采用尖嘴镊子对步骤二中因静压或低速冲击产生的蜂窝芯受损区的塌陷蜂窝进行修型。

优选的，步骤四中，固化前在试块中先分别预制蒙皮分层缺陷和蒙皮与蜂窝芯脱粘缺陷，然后与修型后的蜂窝芯预制件进行固化；固化后形成包含有不同深度的蒙皮分层损伤，蒙皮与蜂窝芯间的胶膜上、下脱粘损伤及蜂窝芯子损伤的蜂窝夹芯结构对比试块，从而实现对蜂窝夹芯结构冲击引起各种损伤模式的真实模拟，用以实现对蜂窝夹芯结构产品中冲击损伤的检测和评价。

优选的，蒙皮分层缺陷包括上表层分层、中间层分层和下表层分层；蒙皮与蜂窝芯脱粘缺陷包括蒙皮与胶膜间脱粘以及胶膜与蜂窝芯间脱粘。

优选的，具体实施过程如下：

1)制作蜂窝预制件：按设计要求选择合适的蜂窝芯并切割到所需的尺寸，形成蜂窝芯预制件；

2)仿真计算与分析：依据蜂窝芯预制件的实际物理参数特征和相关力学性能数据，建立蜂窝结构预制件的有限元模型，并通有限元分析软件对蜂窝芯预制件一面局部区域施加均布静压载荷或低速动态冲击载荷进行数字仿真，施加载荷的区域大小或冲头直径取决于所希望获得的损伤尺寸大小，获得蜂窝芯在刚刚进入失稳状态时静压载荷下的压缩位移值或在冲击载荷下达到期望失稳尺寸时的冲击能量值；

3)实施实验：对于静压实施实验，将压头固定在试验机上；其中压头包含压盘和固定杆，压盘的直径应近似等于所需预置的芯子损伤直径，压头的固定杆固定在试验机上夹持头中，安装时确保压头与试验机上夹持头主轴同心；将蜂窝芯预制件固定在试验机的工作台上，并使压盘位于损伤预制位置正上方；启动试验机对蜂窝芯预制件进行压缩操作，使得蜂窝芯的压缩量近似处于步骤2)仿真计算获得的压缩位移值附近；同时在压缩过程中，实时监测试验机输出的位移-载荷曲线，以监测蜂窝芯的压缩过程；对于低速冲击实施实验，将蜂窝芯预制件放置在自由落锤冲击试验机工作台上并固定，球形冲头对准芯子损伤设计位置的中心，根据步骤2)仿真获得的冲击能量调节冲头高度，然后释放冲头对蜂窝芯预制件进行自由落锤冲击；

4)确定损伤大小：取下压缩后的蜂窝预制件，确定压缩形成的蜂窝芯损伤尺寸；

5)损伤区蜂窝芯修型：对蜂窝芯预制件上因静压引起的芯子塌陷区进行修型，将塌陷的蜂窝芯壁拉伸与初始高度平齐并恢复受损蜂窝芯格形状，以保证后续受损蜂窝芯能与蒙皮进行粘接并固化；

6)固化蒙皮，形成对比试块：按照对比试块设计尺寸在蜂窝芯预制件上、下表面铺贴蒙皮，并采用分层和脱粘损伤的模拟方法在对比试块相应位置预制上蒙皮上表层分层损伤、上蒙皮中间层分层损伤、上蒙皮下表层分层损伤以及蒙皮与蜂窝芯间的膜上脱粘损伤和膜下脱粘损伤，然后将上、下蒙皮与含有芯子损伤且经修型后的蜂窝芯预制件固化形成蜂窝结构冲击损伤对比试块；

7)无损检测确认：对蜂窝结构对比试块进行无损检测，获取各蒙皮分层、板芯脱粘、蜂窝芯子损伤的实际损伤尺寸。

8.如权利要求7所述的复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，其特征在于，步骤3)低速冲击实施实验时球形冲头直径近似等于芯子损伤设计尺寸。

优选的，步骤3)中静压实施实验可采用其它同类可以实现下压运动且运动位移可精确控制的设备。

优选的，步骤4)中采用直接目视或空气耦合的穿透式超声C扫描进行检测，确定压缩形成的蜂窝芯损伤尺寸。

有益效果：

本发明能够真实模拟蜂窝夹芯结构中因冲击引起的各种损伤模式，采用以此方法制作的对比试块作为蜂窝夹芯结构检测时的设备调节基准，比采用现有损伤模拟方法预制的对比试块，能够更加精确的定量评价蜂窝夹芯结构因冲击引起的损伤程度，更有利于结构强度的正确评估和合理修理决策的制定。

附图说明

图1为复合材料蜂窝夹芯结构示意图。

图2为复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤模式示意图。

图3为目前复合材料蜂窝夹芯结构几种人工损伤的模拟方法。

图4为图3中A-A截面图。

图5为蜂窝芯预制件静压实验安装示意图。

图6为压头结构示意图。

图7为蜂窝芯预制件自由落体冲击实验安装示意图。

图8为蜂窝夹芯结构冲击损伤对比试块主视图。

图9为蜂窝夹芯结构冲击损伤对比试块俯视图。

图中：1—蜂窝芯；2—压盘；3—固定杆；4—试验机上夹持头；5—试验机工作台；6—冲头；7—冲击实验机导向管；8—低速冲击试实验机工作台；9—上蒙皮；10—下蒙皮；11—上蒙皮上表层分层模拟损伤；12—上蒙皮中间层分层模拟损伤；13—上蒙皮下表层分层模拟损伤；14—蒙皮与蜂窝芯间的膜上脱粘损伤；15—蒙皮与蜂窝芯间的膜下脱粘损伤；16—蜂窝芯子损伤；FL1：在边缘沿面板与蜂窝芯间插入薄金属片，固化后拔出形成空腔，模拟面板与蜂窝芯脱粘损伤；FL2：在面板与蜂窝芯间加入聚四氟乙烯防粘膜，模拟面板与蜂窝芯脱粘损伤；FL3：在面板的铺层间加入聚四氟乙烯防粘膜，模拟面板分层损伤；FL4：完全铣去下面板和蜂窝芯以形成平底孔，模拟面板和蒙皮脱粘损伤；FL5：将蜂窝芯铣掉1mm后再与上面板粘接，模拟面板与蜂窝芯脱粘损伤。

具体实施方式

通过具体实施例进一步阐述发明的技术方案。

实施例一

复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，其具体实施过程如下：

1)制作蜂窝芯预制件：按设计要求选择合适的蜂窝芯并切割到所需的尺寸形成蜂窝芯预制件1。

2)仿真计算与分析：依据蜂窝芯预制件1的实际物理参数特征和相关力学性能数据，建立蜂窝芯预制件的有限元模型，并通有限元分析软件对蜂窝芯预制件局部区域施加均布静压载荷进行仿真计算(施加载荷的区域大小取决于所希望获得的损伤尺寸大小)，获得蜂窝芯在压缩载荷下刚刚进入失稳状态时的压缩位移值。

3)实施压缩实验：将压头固定在试验机或其它同类可以实现下压运动且运动位移可精确控制的设备上。其中压头包含压盘2和固定杆3，压盘2的直径应近似等于所需预置的芯子损伤直径，压头的固定杆3牢固的固定在试验机上夹持头4中，安装时应确保压头与试验机上夹持头主轴同心。将蜂窝芯预制件固定在试验机的工作台5上，并使压盘2位于损伤预制位置正上方。启动试验机对蜂窝芯预制件1进行压缩操作，使得蜂窝芯预制件1的压缩量近似处于步骤2)仿真计算获得的压缩位移值附近。同时在压缩过程中，实时监测试验机输出的位移-载荷曲线，以监测蜂窝芯的压缩过程。

4)确定损伤大小：从试验机上取下压缩后的蜂窝芯预制件2，采用目视观察或空气耦合的穿透式超声C扫描进行检测，确定压缩形成的蜂窝芯损伤尺寸。

5)损伤区蜂窝芯修型：利用尖嘴镊子等工具对蜂窝芯预制件上因静压引起的芯子塌陷区进行修型，将塌陷的蜂窝芯壁逐个拉伸与初始高度平齐并尽量恢复受损蜂窝芯格形状，以保证后续受损蜂窝芯能与蒙皮进行粘接并固化。

6)固化上、下蒙皮，形成对比试块：按照对比试块设计尺寸铺贴上蒙皮9和下蒙皮10，并采用图3、图4中的分层和脱粘损伤的模拟方法在对比试块相应位置预制上蒙皮上表层分层损伤11、上蒙皮中间层分层损伤12、上蒙皮下表层分层损伤13以及蒙皮与蜂窝芯间的膜上脱粘损伤14和蒙皮与蜂窝芯间的膜下脱粘损伤15，然后将上蒙皮与压缩后含有蜂窝芯子损伤16的蜂窝预制件固化形成蜂窝结构冲击损伤对比试块。

7)无损检测确认：采用穿透法超声C扫描对蜂窝结构对比试块进行无损检测，获取各蒙皮分层、板芯脱粘、蜂窝芯子损伤的实际损伤尺寸，为对比试块的合格评价提供数据支撑。

实施例二

1)制作蜂窝预制件：按设计要求选择合适的蜂窝芯并切割到所需的尺寸形成蜂窝芯预制件1。

2)仿真计算与分析：依据蜂窝芯预制1的实际物理参数特征和相关力学性能数据，建立蜂窝芯预制件的有限元分析模型，并通过有限元分析软件对蜂窝预制件进行自由落体冲击的仿真计算(球形冲头直径取决于所希望获得的损伤尺寸大小)，获得蜂窝芯在冲击载荷下失稳且达到期望尺寸值时的冲击能量值。

3)实施冲击实验：将蜂窝芯预制件1固定在自由落锤冲击试验机的工作台8上，并保证窝芯预制件1拟冲击区中心与冲击试验机导向管7的中心对准，根据所用冲头6的质量和步骤2)计算获得的冲击能量，调整冲头6在导向管7上对应的高度位置。然后释放冲头自由落体，完成对蜂窝芯预制件的冲击。为了更加准确的获得实际冲击能量准确值，可在冲击冲击试验机导向管末端安装测速装置测量冲头的出口速度。

4)确定损伤大小：从冲击试验机上取下压缩后的蜂窝芯预制件1，采用目视观察或空气耦合的穿透式超声C扫描进行检测，确定冲击形成的蜂窝芯损伤尺寸。

5)损伤区蜂窝芯修型：利用尖嘴镊子等工具对蜂窝芯预制件上因冲击引起的芯子塌陷区进行修型，将塌陷的蜂窝芯壁逐个拉伸与初始高度平齐并尽量恢复受损蜂窝芯格形状，以保证后续受损蜂窝芯能与蒙皮进行粘接并固化。

6)固化上、下蒙皮，形成对比试块：按照对比试块设计尺寸铺贴上蒙皮9和下蒙皮10，并采用图3、图4中的分层和脱粘损伤的模拟方法在对比试块相应位置预制上蒙皮上表层分层损伤11、上蒙皮中间层分层损伤12、上蒙皮下表层分层损伤13以及蒙皮与蜂窝芯间的膜上脱粘损伤14和膜下脱粘损伤15，然后将上蒙与冲击后含有芯子损伤16的蜂窝芯预制件1固化形成蜂窝结构冲击损伤对比试块。

6)无损检测确认：采用穿透法超声C扫描对蜂窝结构对比试块进行无损检测，获取各蒙皮分层、板芯脱粘、蜂窝芯子损伤的实际损伤尺寸，为对比试块的合格评价提供数据支撑。

Claims (9)

1.复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：通过对蜂窝夹芯结构冲击损伤进行数字仿真计算和真实冲击损伤蜂窝夹芯结构损伤区的断口观察，获取蜂窝夹芯结构冲击损伤特征，为冲击损伤的人工模拟提供基础；

步骤二：根据需设计的对比试块尺寸切割蜂窝芯形成蜂窝芯预制件，利用静压或低速冲击的方式使蜂窝芯失稳来产生损伤以模拟冲击导致的蜂窝芯子损伤；

步骤三：对蜂窝芯上因静压或低速冲击引起的芯子塌陷区进行修型，将塌陷的蜂窝芯壁拉伸与初始高度平齐，修正并恢复受损蜂窝芯格的形状；

步骤四：将修型后含有芯子损伤的蜂窝芯预制件与上、下蒙皮固化形成对比试块。

2.如权利要求1所述的复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，其特征在于，蜂窝夹芯结构冲击损伤特征包括蒙皮分层、蒙皮与蜂窝芯脱粘以及蜂窝芯子损伤特征。

3.如权利要求1所述的复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，其特征在于，步骤二中先制造不含上、下蒙皮的蜂窝芯预制件，并通过静压或低速冲击的方法来模拟冲击损伤；

采用静压方式模拟时，通过有限元建模和局部静压数字仿真方式获取蜂窝芯预制件在压缩载荷下刚刚进入失稳状态的压缩位移值；然后，在试验机上根据仿真获得的压缩位移值进行压缩实验，使得蜂窝芯预制件的局部蜂窝芯进入失稳状态而产生损伤以模拟冲击引起的芯子损伤；

当采用低速冲击方式模拟时，通过有限元建模和冲击仿真计算的方式获取蜂窝芯预制件在冲击载荷下达到预定失稳区尺寸时的冲击能量值，然后在自由落锤冲击试验机上按照冲击能量值进行冲击实验，使蜂窝芯进入失稳状态而产生损伤以模拟结构中自然冲击引起的芯子损伤；低速冲击实验时选用的球形冲头直径近似等于需模拟芯子损伤的直径。

4.如权利要求1所述的复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，其特征在于，步骤三中，采用尖嘴镊子对步骤二中因静压或低速冲击产生的蜂窝芯受损区的塌陷蜂窝进行修型。

5.如权利要求1所述的复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，其特征在于，步骤四中，固化前在试块中先分别预制蒙皮分层缺陷和蒙皮与蜂窝芯脱粘缺陷，然后与修型后的蜂窝芯预制件进行固化；固化后形成包含有不同深度的蒙皮分层损伤，蒙皮与蜂窝芯间的胶膜上、下脱粘损伤及蜂窝芯子损伤的蜂窝夹芯结构对比试块，从而实现对蜂窝夹芯结构冲击引起各种损伤模式的真实模拟，用以实现对蜂窝夹芯结构产品中冲击损伤的检测和评价。

6.如权利要求5所述的复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，其特征在于，蒙皮分层缺陷包括上表层分层、中间层分层和下表层分层；蒙皮与蜂窝芯脱粘缺陷包括蒙皮与胶膜间脱粘以及胶膜与蜂窝芯间脱粘。

7.如权利要求1所述的复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，其特征在于，具体实施过程如下：

1)制作蜂窝预制件：按设计要求选择合适的蜂窝芯并切割到所需的尺寸，形成蜂窝芯预制件；

2)仿真计算与分析：依据蜂窝芯预制件的实际物理参数特征和相关力学性能数据，建立蜂窝结构预制件的有限元模型，并通过有限元分析软件对蜂窝芯预制件一面局部区域施加均布静压载荷或低速动态冲击载荷进行数字仿真，施加载荷的区域大小或冲头直径取决于所希望获得的损伤尺寸大小，获得蜂窝芯在刚刚进入失稳状态时静压载荷下的压缩位移值或在冲击载荷下达到期望失稳尺寸时的冲击能量值；

3)实施实验：对于静压实施实验，将压头固定在试验机上；其中压头包含压盘和固定杆，压盘的直径应近似等于所需预置的芯子损伤直径，压头的固定杆固定在试验机上夹持头中，安装时确保压头与试验机上夹持头主轴同心；将蜂窝芯预制件固定在试验机的工作台上，并使压盘位于损伤预制位置正上方；启动试验机对蜂窝芯预制件进行压缩操作，使得蜂窝芯的压缩量近似处于步骤2)仿真计算获得的压缩位移值附近；同时在压缩过程中，实时监测试验机输出的位移-载荷曲线，以监测蜂窝芯的压缩过程；对于低速冲击实施实验，将蜂窝芯预制件放置在自由落锤冲击试验机工作台上并固定，球形冲头对准芯子损伤设计位置的中心，根据步骤2)仿真获得的冲击能量调节冲头高度，然后释放冲头对蜂窝芯预制件进行自由落锤冲击；

4)确定损伤大小：取下压缩后的蜂窝预制件，确定压缩形成的蜂窝芯损伤尺寸；

5)损伤区蜂窝芯修型：对蜂窝芯预制件上因静压引起的芯子塌陷区进行修型，将塌陷的蜂窝芯壁拉伸与初始高度平齐并恢复受损蜂窝芯格形状，以保证后续受损蜂窝芯能与蒙皮进行粘接并固化；

6)固化蒙皮，形成对比试块：按照对比试块设计尺寸在蜂窝芯预制件上、下表面铺贴蒙皮，并采用分层和脱粘损伤的模拟方法在对比试块相应位置预制上蒙皮上表层分层损伤、上蒙皮中间层分层损伤、上蒙皮下表层分层损伤以及蒙皮与蜂窝芯间的膜上脱粘损伤和膜下脱粘损伤，然后将上、下蒙皮与含有芯子损伤且经修型后的蜂窝芯预制件固化形成蜂窝结构冲击损伤对比试块；

7)无损检测确认：对蜂窝结构对比试块进行无损检测，获取各蒙皮分层、板芯脱粘、蜂窝芯子损伤的实际损伤尺寸。

8.如权利要求7所述的复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，其特征在于，步骤3)低速冲击实施实验时球形冲头直径近似等于芯子损伤设计尺寸。

9.如权利要求7所述的复合材料蜂窝夹芯结构冲击损伤的人工模拟方法，其特征在于，步骤4)中采用直接目视或空气耦合的穿透式超声C扫描进行检测，确定压缩形成的蜂窝芯损伤尺寸。

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