航天器蜂窝夹层结构复合材料热变形分析

工艺与装备113复合材料夹层结构蜂窝芯材的压塌分析王凯(中国民用航空飞行学院洛阳分院，洛阳471001)摘要：本文分析了复合材料夹层结构蜂窝芯材常见的压塌损伤，介绍了固化过程中影响芯材压塌的原因、影响因素、芯材压塌的稳定性和芯材特性，给出了处理芯材压塌的常用程序和控制芯材压塌的常用方法，对于防 止复合材料夹层结构制造和维修过程中产生压塌缺陷具有较强的指导意义。

关键词：夹层结构芯材压塌复合材料引言复合材料夹层结构由面板、夹芯以及连接两者的某种手段（如胶粘剂或铜焊）组成。

夹层板的面案承受弯曲载荷（一块面板承压，另一块面板承拉）或在某些情况下承受面内剪切载荷，面板的主要性能为压缩、拉伸、剪切强度和模量，夹芯性能主要包括密度、压缩强度和模量、剪切强度和模量、拉伸强度。

夹层板有多种失效模式，每种失效模式都会限制夹层结构的承载能力。

夹层结构的失效可能由诸多因素引起面 板、芯材及胶层的强度发生变化，失效模式通常有面板失 效、芯材剪切失效、芯材压塌、芯材压溃、芯材拉伸失效、面板/芯材脱胶、对称面板皱曲、整体屈曲和剪切皱折等 形式。

由于在夹层结构的制造和修理固化过程中均可能发 生芯材压塌，而且除最轻微的压塌外，其他都是不可接受、不能修复的，因此分析夹层结构蜂窝芯材的压塌，具有较 强的理论和实际意义。

1蜂窝芯材压塌的理论分析芯材压塌一般是度量发生在固化时蜂窝芯材部位的变 形和位移。

理论上，将导致芯材压塌的发生归结为一系列 基本要素和摩擦。

部分导致芯材压塌的不可预测原因是摩 擦因数。

摩擦分为静态和动态摩擦，静摩擦比动摩擦要髙。

达到最大静摩擦前，基本不会发生位移。

一旦超过最大静 态摩擦，低一些的动摩擦导致快速的位移。

芯材的压塌一 般与倒角区域有关，在芯材平面，倒角区域一般在髙压容 器的压力下发生变形和移动，如图1、图2所示。

芯材的刚度一定程度上可以抵抗固化容器的作用力，一 般在厚度方向上比较好，但蜂窝倾向于在垂直芯胞方向的硬 度低一些。

蜂窝夹层修理结构的弯曲性能试验分析摘要：随着纤维增强树脂基复合材料在民用和军用飞机上的应用，复合材料部件在制造和使用过程中可能出现缺陷和损伤。

因此，复合材料的修复效果已成为复合材料修复领域的研究热点。

飞机复合材料结构件大多数都采用蜂窝夹层结构，如雷达罩、客舱地板、各类装饰面板、各类整流罩、操纵舵面和梁腹板等。

关键词：蜂窝夹层结构；挖补修理；弯曲强度；破坏模式；修理设备；使用四点弯加载方式研究分析了含损伤蜂窝夹层修理结构的弯曲性能，该夹层结构由碳纤维增强的聚合物面板和蜂窝芯子组成。

进一步分析了挖补斜度、挖补方式、损伤程度、修理设备和修理材料对修理板弯曲性能的影响。

研究表明，修理板的破坏模式可分为补片边缘折断、补片中面折断和胶层破坏三种，相同破坏模式修理板的名义弯曲强度相近，其中前两种破坏模式修理板的名义弯曲强度与完好板相近，而第三种破坏模式修理板的名义弯曲强度相对较低。

所有修理板的名义弯曲强度恢复率基本处于９５％以上，同时修理后抗弯刚度也满足修理准则。

一、挖补参数影响分析为了分析挖补参数（挖补斜度和挖补方式）对修理后结构的弯曲性能的影响，采用热压罐进行固化，以排除胶接质量的影响。

关于挖补斜度对弯曲性能的影响分析，考虑１∶１０、１∶３０、１∶５０三种斜度的对比分析。

胶层破坏的特征是破坏发生在胶层内部，当载荷超过胶黏剂强度时发生，一般会发生胶层剪切破坏和胶层剥离破坏两种破坏模式，破坏通常发生在应力集中区域。

通常胶层剪切强度比剥离强度高很多，胶层发生剪切破坏是可以接受的，因此应减少剥离破坏的发生。

对于斜面搭接连接形式，当斜面的坡度越陡，剥离应力就越大，也就是对于挖补修理，挖补斜度越小，剥离应力越大，胶层越易发生剥离破坏，即胶层可能在层板破坏之前先发生破坏，导致整个修理板的强度降低。

可以看出，面板挖补斜度由１∶１０到１∶５０的变化过程中，胶层的坡度由陡变缓，在１∶１０斜度时，胶层易发生剥离破坏，而在１∶５０斜度时，胶层更易发生剪切破坏，因此，斜度变缓可以提高胶层的强度，修理效果相对较好，这与相关文献的研究结果一致当胶层破坏中剥离破坏占主导因素时，胶层破坏可能发生在层板破坏之前，此类结构相对完好层板名义弯曲强度略低，这与１∶１０试验结果相符合，胶层破坏、补片撕裂、中面折断破坏；而当胶层破坏中剪切破坏占主导因素时，胶层破坏可能发生在层板破坏之后，此类结构与完好板的破坏模式相似，名义弯曲强度相近，这与１∶３０和１∶５０的试验结果相符合，补片边缘面板折断，蜂窝压溃。

复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用摘要：飞机结构设计的基本原则是在满足强度要求的情况下使结构尽可能轻，这一要求必然导致需利用稳定的薄蒙皮承受拉伸载荷和压缩载荷，以及剪切、扭转、弯曲载荷的耦合作用。

传统的飞机结构设计中使用了纵向加强件和增稳桁条、翼肋和隔框等结构加强蒙皮，这样不可避免会带来结构增重问题。

提高结构比刚度的有效结构形式之一是夹层结构，复合材料夹层结构具有重量轻、强度刚度好，耐热、吸声隔音、抗冲击、耐疲劳等特点，已被广泛应用于航空航天中。

关键词：复合材料；蜂窝夹层；飞机；结构设计蜂窝夹层结构复合材料是50年代末发展起来的一种轻质、高强、各向异性的复合材料。

蜂窝夹层结构的密度小,可以明显的减轻结构重量;它的导热系数低,可以作为绝热和保温构件使用;它的比强度和比刚度高,可根据特殊的要求进行各向异性设计与制造。

因此长期以来备受航空、航天等领域的关注,尤其在航空工业中,蜂窝夹层结构复合材料己成功的大量应用于飞机的主、次承力结构件,如机翼、机身、尾翼和雷达罩等部位。

由于飞机飞行的环境条件比较苛刻,要求飞机用材料不仅有足够的强度、抗冲击性和刚度,而且还需良好的耐疲劳性、阻燃性、减重及抗腐蚀等许多特殊要求。

为了使飞机能正常进行飞行,在对所选用的材料性能进行全面的分析后,还需探索清楚构件性能与成型工艺之间的规律,这是材料应用的重要环节。

一、蜂窝夹芯结构的特点1、发挥复合效应的优越性。

夹层结构复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的,但它并不是由几种材料简单的复合,而是按复合效应形成新的性能,这种复合效应是夹层结构复合材料仅有的。

例如当夹芯板承受弯曲载荷时,上蒙皮被拉伸,下蒙皮被压缩,芯子传递剪切力。

从力学角度分析,它与工字梁很相似,面板相当于工字梁的翼缘,芯材相当于工字梁的腹板。

不同的是芯材与面板不是同一材料,芯材是分散的,而不是集中在狭腹板上。

由于轻质夹芯的高度比面板高出几倍,剖面的惯性距随之四次方增大,且面板有夹芯支持不易失稳。

飞机铝蜂窝复合材料的典型缺陷检测摘要：蜂窝夹层结构复合材料在使用方面具有很好的性能，其具有比较好的强度，同时，抗冲击性能很好，在使用方面能够进行很好的设计，本文为有效检出飞机铝蜂窝复合材料的缺陷位置及缺陷大小,评估缺陷损伤程度,运用激光错位散斑检测方法对有无缺陷及缺陷位置进行了检测,并采用声阻检测方法对缺陷大小进行了评估.关键词:复合材料缺陷;激光错位散斑检测;声阻检测一、铝蜂窝夹层结构铝蜂窝芯材只要利用铝箔来实现不同方式的胶接，然后通过拉伸形成不同规格的蜂窝，芯材的性能和铝箔的厚度以及孔格的大小有直接关系，铝蜂窝芯材能够和不同蒙皮材料进行复合，这样就形成了铝蜂窝夹层结构复合材料。

铝蜂窝夹层结构复合材料具有加高的力学性能，而且，在制造成本方面比较低。

但是，铝蜂窝夹层结构复合材料在一些特定的环境中比较容易受到腐蚀，在受到冲击以后，铝蜂窝芯材会出现永久变形的情况，会导致蜂窝芯材和蒙皮发生分离的问题，导致材料的性能降低。

一些研究人员对胶接工艺对铝蜂窝夹层结构复合材料的影响进行了研究，主要从胶接剂的筛选、表面处理方法和固化工艺方面进行了论述，使用流动性比较好的胶膜，在表面处理方面采用磷酸阳极化处理方式，同时，在夹层结构方面通过对剪切强度进行对比，能够实现最佳的固化工艺。

铝蜂窝夹层结构在粘结成型方面大面积批量生产面临着非常大的问题，在固化过程中，可以对铝蜂窝夹层结构复合材料进行真空袋加压，这样铝蜂窝夹层结构复合材料的性能更好。

对铝蜂窝芯在压缩荷载作用下的荷载位移曲线特征进行研究，同时对在静态下的压缩荷载作用下的铝蜂窝变形特征进行掌握，可以从三个方向对铝蜂窝进行准静态压缩，由于材料的不同，会导致蜂窝芯出现不断的致密化，可以将不同方向的荷载位移曲线分为弹性区域、平缓区域和加速加强区域。

在轴向压缩过程中，试样在荷载最大值位置会出现失稳的情况，在失稳情况下，位移曲线会出现一些小的峰，这个过程铝蜂窝芯出现了逐步折叠失稳的情况。

复合材料蜂窝夹层结构的优化设计摘要本文主要探讨了复合材料蜂窝夹层结构的优化设计方法。

首先介绍了蜂窝夹层结构的优点和应用领域，接着分析了其存在的问题和挑战。

然后，针对这些问题，提出了一系列优化设计方法，包括材料选取、蜂窝结构设计和界面优化等方面。

最后，通过具体案例分析，验证了所提出的优化设计方法的有效性。

1. 引言复合材料蜂窝夹层结构是一种在航空航天、汽车、建筑等领域广泛应用的先进结构材料。

其由两层面板夹持着一个蜂窝状的中间层，形成轻质且高强度的结构。

蜂窝夹层结构具有优异的性能，如高比强度、高比刚度、吸能能力强等，在许多领域都有广泛的应用。

2. 优点和应用领域蜂窝夹层结构具有以下几个优点： 1. 轻质高强度：蜂窝夹层结构由轻质面板和中间的蜂窝状结构组成，使其具有较小的自重和较高的强度。

2. 吸能能力强：蜂窝夹层结构中的蜂窝层具有吸能能力，能够有效地吸收冲击能量，提高结构的抗冲击性能。

3. 隔热隔音：蜂窝夹层结构中的蜂窝层具有较好的隔热隔音性能，适用于一些需要绝热隔音的场合。

蜂窝夹层结构广泛应用于以下几个领域： - 航空航天领域：蜂窝夹层结构在飞机、航天器等领域中被广泛使用，能够提高载荷能力和提高飞行性能。

- 汽车领域：蜂窝夹层结构可以用于汽车车身、底盘等部件，提高汽车的强度和安全性能。

-建筑领域：蜂窝夹层结构可以用于建筑的外立面、屋顶等部件，具有较好的隔热隔音效果。

3. 问题和挑战尽管蜂窝夹层结构具有许多优点，但仍然存在一些问题和挑战： 1. 材料选取：蜂窝夹层结构的性能与所选用的材料密切相关，如何选择合适的材料成为优化设计的重要问题。

2. 蜂窝结构设计：蜂窝夹层结构的性能也与其内部的蜂窝结构密切相关，如何设计合理的蜂窝结构是优化设计的关键。

3. 界面优化：蜂窝夹层结构中各层面板和蜂窝层之间的界面连接也对其性能产生影响，需要进行界面优化。

4. 优化设计方法针对以上问题和挑战，可以采取以下优化设计方法来提升蜂窝夹层结构的性能：4.1 材料选取在进行蜂窝夹层结构的设计时，需要选择合适的材料。

蜂窝夹层结构无损检测方法研究综述
陈韩青;徐志远;屈仲毅;曾辉;朱长春
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2024(38)10
【摘要】蜂窝夹层结构是一种层合复合材料,具有优异的力学性能,被广泛应用于航空航天、建筑以及汽车制造等领域。

由于自身结构及服役工况的复杂性,蜂窝夹层
结构容易在制造、服役等阶段产生蒙皮-蜂窝芯界面脱粘、蒙皮分层、夹杂、蜂窝
芯格变形、芯格塌陷、节点开裂、蜂窝积水等多种形式的缺陷。

因此,开展蜂窝夹
层结构无损检测方法的研究具有重要意义。

本文回顾了国内外文献中出现的针对蜂窝夹层结构的无损检测方法,分析了各种单一检测方法的原理、应用优势及局限性。

随后,概述了将多种单一方法复合的检测方法在蜂窝夹层结构缺陷全面检测上的应用,并指出应用智能算法可实现蜂窝夹层结构缺陷的定量和分类识别。

最后,对蜂窝
夹层结构无损检测的研究和应用趋势进行了简要总结和展望。

【总页数】15页(P292-306)
【作者】陈韩青;徐志远;屈仲毅;曾辉;朱长春
【作者单位】湘潭大学机械工程与力学学院;南昌航空大学测试与光电工程学院【正文语种】中文
【中图分类】TG115.28
【相关文献】
1.碳纤维复合材料蜂窝夹层结构的无损检测方法研究
2.复合材料蜂窝夹层结构制件的超声可视化无损检测
3.超轻多孔“类蜂窝”夹层结构材料设计方法研究综述
4.航天器蜂窝夹层结构脱粘损伤的导波检测与成像方法
5.PMI泡沫复合材料夹层结构的无损检测方法
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复合材料蜂窝结构的屈曲特性分析复合材料在现代工业领域中得到广泛应用，其具有高强度、低密度和良好的抗腐蚀性能等优点。

而蜂窝结构作为一种特殊的复合材料结构，更是在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域中发挥着重要的作用。

本文将从力学的角度探讨复合材料蜂窝结构的屈曲特性。

首先，我们需要了解蜂窝结构的组成和几何形状。

蜂窝结构由两个平行的面板之间的一系列梁材料组成，形成像蜂窝一样的六边形。

这种结构的特点是具有非常高的强度和刚度，同时还能保持较低的密度。

通常，蜂窝结构可以通过剪切和压缩来加载。

在受外力作用下，蜂窝结构将发生屈曲变形。

其次，我们来探究复合材料蜂窝结构的屈曲行为。

在分析屈曲前，我们需要了解一些力学模型，如Euler-Bernoulli梁理论和von Mises等效应力准则。

Euler-Bernoulli梁理论用于描述线弹性材料的屈曲行为，其中假设为小变形和线弹性材料。

von Mises等效应力准则则用于预测材料的屈服，根据等效应力的大小来判断材料是否会发生塑性变形。

在屈曲分析过程中，我们需要考虑到不同蜂窝结构的参数，如梁的长度、材料的强度、面板的厚度、蜂窝的尺寸等。

这些参数会直接影响到蜂窝结构的屈曲承载能力。

通过数值模拟和实验测试，我们可以得到不同参数下蜂窝结构的屈曲状态和关键指标，如屈曲载荷、屈曲模态、屈曲振型等。

此外，还需要考虑蜂窝结构的几何非线性和材料非线性因素。

由于蜂窝结构的非线性特性，传统的线弹性理论已经不能完全适用。

为了更准确地预测蜂窝结构的屈曲行为，可以采用有限元分析等数值方法来考虑几何非线性和材料非线性因素。

这些方法能够更准确地模拟结构的变形和破坏，并得到相应的屈曲载荷和屈曲模态。

最后，要注意蜂窝结构的屈曲特性与实际工程应用的关系。

工程中，蜂窝结构往往会受到复杂的加载条件和环境影响，如温度变化、湿度变化等。

这些因素会对蜂窝结构的屈曲特性产生影响，使其在实际工程应用中需要作出相应的修正和改进。

复合材料层合／夹层板热膨胀／弯曲有限元分析本文介绍了有限元软件ABAQUS的有限元建模和仿真分析的过程，并且应用ABAQUS对层合板/夹层板的热膨胀和热弯曲问题进行分析，建模过程中分别采用实体单元和壳单元两种不同单元建模，分别对两种单元建立模型的热膨胀和热弯曲问题仿真分析。

通过与精确解的比较可以得出：实体单元可以更好的应用于复合材料层合/夹层结构的热膨胀和热弯曲问题。

具有一定的工程指导意义。

标签：层合板；夹层板；热膨胀；热弯曲1 引言复合材料具有低密度比强度、高比强度和高比刚度等性能，并且还具有稳定的化学性质、良好的耐磨性和良好的耐热性等优点，已经广泛的应用在航空航天领域。

复合材料无论是在制备还是应用的过程中，都不可避免的与热接触，或者是处于热环境之中。

复合材料层合结构和夹层结构在使用过程中会因温度变化而产生热膨胀，受热后产生的应力、应变会对复合材料的力学性能产生重要影响，在热应力的作用下，可能会导致结构的失效。

因此，复合材料受温度影响而导致的热膨胀和热弯曲问题的分析是十分重要的。

而且这个研究方向是一个非常值得深入的研究方向。

国内外对于热问题的研究在理论方面已经取得了重大进展，但是在实际工程问题分析中，有许多问题应用理论求解时时非常困难的，甚至有的问题无法求解。

随着有限云方法的出现和有限云软件的发展，使得有些工程问题变得简单高效。

本文采用有限云软件ABAQUS对于复合材料层合结构和夹层结构的热膨胀和热弯曲问题进行仿真分析。

2 复合材料层合板/夹层板几何模型的建立2.1 复合材料层合板/夹层板几何模型的建立本文建立的模型是用有限元软件ABAQUS建立的，具体的建模步骤如下：本文建立的复合材料三层板分别采用实体单元和壳单元，两种不同的单元建立的。

首先介绍实体单元有限元模型的建立。

实体单元建立模型时进入Part模块，选择三维，实体，可变性，模型空间“大约尺寸”设置为50，其他参数保持不变，采用实体单元建模的时候，采用的是实体拉伸，点击继续进入草图编辑界面。