穿透性损伤对钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩性能影响_杨昊.pdf

http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0249穿透性损伤对钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩性能影响杨昊1，谢宗蕻1，杨海波2，袁培毓1，岳喜山3，赵伟1，*(1.中山大学航空航天学院，广州 510275；2.中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所，成都 610091；3.中国航空制造技术研究院，北京100024)摘要：钛合金蜂窝口盖壁板在实际服役过程中可能会产生穿透性损伤，从而影响口盖壁板面内压缩性能。采用试验和有限元计算相结合的方法研究了穿透性损伤对钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩性能的影响。结果显示：含穿透性损伤的钛合金蜂窝口盖壁板的面内压缩破坏载荷要略高于无损伤钛合金蜂窝口盖壁板，且面内压缩破坏载荷随穿透性损伤直径增大而增大；有限元模型预测的破坏模式与试验结果一致，预测的破坏载荷与试验结果的最大偏差为 9.33%，两者吻合较好。研究结果可以为钛合金蜂窝口盖壁板的设计及面内压缩性能的预测提供数据支持和研究方法参考。关键词：钛合金蜂窝壁板；有限元方法；试验研究；力学性能；穿透性损伤中图分类号：V414.6文献标志码：A文章编号：1005-5965（2023）02-0378-10钛合金蜂窝口盖壁板采用钛合金材料作为面板，以轻质蜂窝作为芯体，面板与芯体通过钎焊连接。其具有出色的性能，如高比强度和比刚度、隔噪、隔热、抗腐蚀等，因此，被广泛应用于航空航天飞行器结构，特别是口盖、舵翼面、消音内衬等结构中1-4。但是在制造、装配和服役过程中，钛合金蜂窝口盖壁板可能会产生各种类型的缺陷和损伤，从而影响口盖壁板力学性能，尤其是面内压缩性能。其中穿透性损伤多是在实际服役过程中受到冲击载荷而形成的典型损伤。Gibson 和 Ashby5全面总结了蜂窝材料的力学性能。国内外学者广泛研究了蜂窝夹层结构的力学性能6-8及损伤对蜂窝夹层结构的力学性能影响9-12，但是，对于金属蜂窝夹层结构的研究大都集中于高温合金材料，很少涉及钛合金材料。随着钛合金蜂窝夹层结构制备工艺日益成熟13-14，国内研究者开展了钛合金蜂窝壁板的力学性能的研究工作15-17。然而，涉及钛合金蜂窝口盖壁板力学性能的研究相对较少，穿透性损伤对钛合金蜂窝口盖壁板的面内压缩性能影响尚不明确。本文采用有限元分析与试验研究相结合的方法，研究了穿透性损伤对钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩性能的影响。通过试验研究得到面内压缩下典型的破坏模式和破坏载荷。利用 ABAQUS 二次开发技术，编写 Python 代码建立含蜂窝芯体细节的有限元模型，模拟面内压缩过程中的力学行为。采用试验结果验证后的有限元模型研究穿透性损伤直径对钛合金蜂窝口盖壁板力学性能的影响。研究结果可以为钛合金蜂窝口盖壁板的设计及其面内压缩性能的预测提供数据支持和研究方法参考。1面内压缩试验1.1试验件、试验夹具及试验机设置试验件的构型参照已成功应用于某型国产先进战机的钛合金蜂窝口盖壁板的构型。为了控制试验件制造成本，试验件长宽尺寸小于战机真实结收稿日期：2020-05-13；录用日期：2021-09-09；网络出版时间：2021-09-1509：48网络出版地址： J.北京航空航天大学学报，2023，49（2）：378-387.YANG H，XIE Z H，YANG H B，et al.Influence of penetration damage on in-plane compression properties of titanium honeycombsandwich cover structureJ.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2023，49（2）：378-387（in Chinese）.2023年2月北京航空航天大学学报February2023第49卷第2期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.49No.2构长宽尺寸。基于本文研究单位未公开发表的研究成果和设计经验，同时考虑尺寸效应影响，试验件的长宽尺寸确定为 350mm350mm。试验件按损伤类型分为无损伤和穿透性损伤试验件，共两大类 4 组。每组各 3 件试验件，总计 12 件。其中，含穿透性损伤试验件通过在无损伤试验件的中心位置预制穿透性圆孔损伤得到，共 3 组。参照 F-18 维修手册18，确定当穿透性损伤直径大于 50mm 时，钛合金蜂窝口盖壁板构型结构件不可修，即穿透性损伤最大直径为 50mm。本文研究单位未公开发表的研究成果显示，当直径小于 20mm 时，穿透性损伤对钛合金蜂窝夹层结构件的承载性能影响较小。因此，确定试验件的典型穿透性损伤直径为30，40，50mm。无损伤试验件由内外蒙皮、加强片和蜂窝芯体组成，内外蒙皮和加强片的材料为钛合金 TC4，蜂窝芯体采用厚度为 0.1mm 的钛合金箔材经成型制造获得，材料为钛合金 TC4H-11.2-0.1。无损伤试验件结构细节如图 1 所示。试验件 L 方向与 W 方向的长度均为 350mm，如图 1（a）所示。蜂窝芯体单胞直径为 11.2mm，芯体具有方向性，试验件 L 方向与蜂窝芯体 L 方向一致，如图 1（b）所示。外蒙皮厚度为 0.8mm，内蒙皮厚度为 0.6mm，加强片厚度为 0.6mm，蜂窝芯体最大高度为 15mm，如图 1（c）所示。图 1（c）中斜角区为三角线框区域，表示壁板从全高度蜂窝区域到内外蒙皮无蜂窝芯体区域间的过渡部分。蒙皮与蜂窝芯体之间，内外蒙皮边缘之间及内蒙皮与加强片之间采用钎焊进行焊接。试验件加工后公差如下：L 向两端面平面度小于 0.05mm，两端面平行度小于 0.05mm，外蒙皮与两端面的垂直度小于 0.05mm。无损伤试验件的贴片方式如图 2 所示。其中，P 表示应变片，括号外编号为外蒙皮应变片编号，括号内编号为内蒙皮应变片编号。钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩试验参照试验标准 ASTMD713719进行，用于获取口盖壁板的面内压缩力学性能和关键位置应变信息。钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩试验夹具示意图如图 3 所示。试验前，首先用滑块将试验件固定在底座和压块之间，然后将初步固定后的试验件安放在试验机压缩空间的球铰支座平台上方。最后施加1kN 预载荷，通过 P1、P3、P12 和 P14 应变片的数值，确保试验件外蒙皮与底座加载面和压块加载面的垂直度满足要求后（即上述 4 个应变片中，任意2 个应变片数值之间偏差均小于 10%），固定 U 型侧板上方的简支侧板，对试验件两侧施加简支约束。试验的加载速率为 1mm/min。试验过程中，同时记录载荷和应变等数据。1.2试验结果1.2.1破坏模式1)对于无损伤和含 30，40mm 直径穿透性损伤的试验件，随着载荷增加，逐渐出现芯体和蒙皮损伤的响声。当载荷超过限制载荷后，试验件出现密集的芯体、蒙皮损伤响声，当外蒙皮在斜角区域出现目视可见变形的瞬时，试验件在一端外蒙皮斜角区域发生灾难性破坏，试验结束。在面内压缩载荷(c)斜角区域细节斜角终止区域内蒙皮倒圆区斜角区外蒙皮内蒙皮加强片斜角起始区域内蒙皮倒圆区蜂窝芯体2.2150.80.6(a)无损伤压缩试验整体结构(b)蜂窝芯体细节35033350L方向L方向W方向5.611.20.1W方向单胞壁双胞壁图1无损伤试验件结构细节Fig.1Detailsofthespecimenwithoutdamage20LW150P9P11(P22)(P20)P1(P12)P3(P14)P4(P15)P8(P19)15020载荷施加方向图2无损伤试验件应变片位置示意图Fig.2Thestraingagepositionofthespecimenwithoutdamage滑块侧挡块底座试验件简支侧板压块U型侧板图3面内压缩试验夹具示意图Fig.3Diagramofthedeviceofin-planecompressionexperiments第2期杨昊，等：穿透性损伤对钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩性能影响379作用下，无损伤和含 30mm，40mm 直径穿透性损伤的试验件的典型破坏模式为外蒙皮在斜角区域贯穿侧边鼓出，如图 4 所示。图4无损伤和含 30mm，40mm 直径穿透性损伤试验件典型破坏模式Fig.4Typicalfailuremodesofspecimenswithintact30mmand40mmdiameterpenetratingdamage2)对于含 50mm 直径穿透性损伤的试验件，随着载荷增加，逐渐出现芯体和蒙皮损伤的响声，当载荷超过限制载荷后，试验件出现密集的芯体、蒙皮损伤响声，当外蒙皮在穿透性损伤圆孔附近出现目视可见横向变形时，变形瞬间沿孔横截面扩展至两侧边，试验件发生灾难性破坏，试验结束。在面内压缩载荷作用下，含 50mm 直径穿透性损伤试验件的典型破坏模式为外蒙皮沿穿透性损伤区横向鼓出，如图 5 所示。通过观察破坏后的试验件，可以发现外蒙皮鼓出区域外蒙皮与芯体出现脱焊。图5含 50mm 直径穿透性损伤试验件典型破坏模式Fig.5Typicalfailuremodesofspecimenswith50mmdiameterpenetratingdamage1.2.2破坏载荷无损伤和含穿透性损伤钛合金蜂窝口盖壁板的面内压缩破坏载荷试验结果如表 1 所示。其中，面内压缩破坏载荷降低比例是指含穿透性损伤钛合金蜂窝口盖壁板相对于无损伤钛合金蜂窝口盖壁板的面内压缩破坏载荷降低比例。能够从表 1看出，试验数据的离散系数的最大值为 11.39%，表明试验结果可靠。穿透性损伤直径为 30mm，40mm时，面内压缩破坏载荷分别降低 6.11%和 2.33%，当穿透性损伤直径为 50mm 时，面内压缩破坏载荷反而提高了 5.54%，可见穿透性损伤不会显著降低钛合金蜂窝口盖壁板的面内压缩破坏载荷，甚至可能提高钛合金蜂窝口盖壁板的面内压缩破坏载荷。2有限元模型2.1有限元模型设置利用 ABAQUS 二次开发技术，编写 Python 代码建立包含蜂窝芯体细节的有限元模型，用于模拟面内压缩过程中的力学行为。内外蒙皮和加强片均采用三维实体建模，使用 SC8R 单元，蜂窝芯体采用壳单元建模，使用 S4R 单元。对于模型建模过程，由于斜角区域出现载荷集中，故对这些区域的网格进行细化处理。无损伤模型网格划分如图 6所示。上端部施加面内方向的位移并约束其他自由度左右两侧简支下端部约束全部自由度上下两侧约束面外位移图6无损伤模型网格及有限元分析边界条件Fig.6Meshingboundaryconditionsandloadingconditionsoffiniteelementsimulationmodelwithoutdamage有限元模型设置的材料参数如表 2 所示，表 2中钛合金 TC4 材料的各项参数均由拉伸试验测得。材料的塑性应变与应力的关系如表 3 所示。TC4钛合金材料采用金属的延展性损伤准则进行定义，当单元断裂应变达到 0.15 时，判定一个单元（面板、蜂窝芯）达到了破坏。单元破坏后，在后续加载过程中，破坏的单元会在模型中移除。有限元模型中引入了 ABAQUS 显式通用接触算法，蜂窝芯体的蜂窝壁间的接触类型为自接触，其接触特性为硬接触。由于蒙皮与蜂窝芯体之间钎焊界面状态的复杂性，目前尚无法通过试验准确表1钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩破坏载荷试验值Table1Experimentalcompressionfailureloadsofthetitaniumhoneycombsandwichcoverstructure损伤直径/mm破坏载荷平均值/kN离散系数/%面内压缩破坏载荷降低比例/%0149.407.8530140.801.866.1140158.1711.392.3350157.539.575.54注：降低比例的负号表示提高。380北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年获得蒙皮与蜂窝芯体之间钎焊界