制造缺陷对复合材料性能的影响研究

黄光启，杨胜春

（中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065）

复合材料有着比刚度高、耐腐蚀、疲劳性能好等诸多优点，在飞机结构中得到了广泛的应用。随着材料性能与制造工艺的不断发展，复合材料也逐步应用于飞机主承力结构中。然而在复合材料结构制造过程中，经常会因工艺偏差、表面沟槽、划痕和紧固件安装等因素产生结构内部制造缺陷[1，2]。随着复合材料智能结构的发展，复合材料结构光纤传感器预埋成型也会对复合材料结构性能产生影响[3]。一般而言，当制造缺陷超出可接受范围，会在质量检测中检出，但也会出现漏检。因此，作为损伤容限设计的一部分，必须考虑制造缺陷对复合材料强度的影响[4]。本文对含制造缺陷的复合材料开展静力与疲劳试验研究，通过试验数据对比分析复合材料制造缺陷对其性能的影响，为复合材料损伤容限设计提供依据。

1 试验研究方法

1.1 试验方案设计

为了研究制造缺陷对复合材料性能的影响，本文采用静力试验与疲劳试验两种试验类型对复合材料剩余强度、损伤容限性能进行试验研究，试验项目包括冲击后压缩、面内剪切、螺栓挤压和长桁压损，具体的试验矩阵见表1。冲击后压缩试验采用ASTM D7136和ASTM D7137标准进行低速冲击与冲击后压缩试验，面内剪切试验采用ASTM D5379标准进行试验。螺栓挤压试验采用ASTM D5961标准进行试验。以上3项试验均采用标准试验件，长桁压损试验采用工字形长桁加蒙皮组合试验件进行试验，试验件构型见图1，蒙皮宽度和高度均为70 mm，试验件（长桁压损试验件为蒙皮）名义厚度均为3.96 mm，铺层为[（±45）/0/-45/0/45/45/0/45/90/-45/0/90/-45/0/45]S，共32层。

表 1  试验矩阵

图1   长桁压损试验件构型

工字长桁尺寸：H=45 mm，W1=55 mm，W2=25 mm，t1=t2=t3=3.25 mm

含预埋缺陷试验件根据实际复合材料壁板上的缺陷情况，在试验件加工过程中采用层间分层预处理的方式进行预埋缺陷处理，缺陷宽度不小于1 mm。冲击后压缩试验件与长桁压损试验件单个缺陷长度均为20 mm，左右对称地预埋6处缺陷，单边缺陷分布在厚度方向的1/4、1/2、3/4处，面内剪切试验件缺陷长度为11 mm，位于厚度方向的1/2处，螺栓挤压试验件单个缺陷长度为15 mm，共预埋2处缺陷，均位于厚度方向的1/2处，各试验件预埋缺陷具体位置见图2。

图2   预埋缺陷位置图

1.2 疲劳试验方法

含缺陷复合材料层压板疲劳试验主要是针对缺陷损伤扩展性开展研究[5]，试验频率控制在5～15 Hz之间，疲劳过程中进行试验件温度监控，确保不因试验频率过大导致试验件发热升温。本文同时试验探索出各类疲劳试验的最佳频率，每进行20万次循环后停止试验，对试验件缺陷损伤进行无损检测，监控缺陷损伤是否扩展，具体疲劳试验方案见表2。

表 2  疲劳试验方案

2 试验结果及分析

2.1 冲击后压缩试验

复合材料层压板冲击试验均按照ASTM D7136试验标准进行[6]，试验前通过超声C扫进行预埋缺陷检测，确认预埋缺陷位置和尺寸，确认缺陷与设计一致后采用直径16 mm的半圆球冲头进行低速冲击试验，冲击能量通过试验摸索最终采用27 J。冲击完成后立即测量凹坑深度，并采用超声C扫进行冲击损伤检测并进行记录，最后按照ASTM D7137试验标准进行剩余压缩强度静力试验和疲劳试验[7]，采用超声C扫进行损伤扩展检测，通过与疲劳试验前无损检测结果进行对比，所有试验件损伤均无扩展，完成后按照静力试验方法进行疲劳后剩余强度试验，见表3。

表 3  冲击损伤尺寸

冲击后压缩试验结果见表4，凹坑深度与损伤尺寸对比见表5，剩余压缩强度试验结果对比见图3。通过对复合材料层压板冲击及冲击后压缩试验结果进行对比可以看出，对于低速冲击试验，在受到同样冲击能量时，含制造缺陷试验件凹坑深度相对较深，损伤长度较小，但损伤宽度较大；完好试验件与含制造缺陷试验件在受到同样能量冲击后，剩余强度基本相同，而在经过疲劳试验后，剩余强度有小幅度增加，但总体相差不大。总体来看，由于制造缺陷对复合材料层压板刚度有较小的影响作用，因此在受到面外冲击时会产生较大的变形，凹坑深度会相对较深，但由于制造缺陷相对于冲击损伤其损伤面积非常小，因此对冲击后剩余压缩强度几乎没有影响，并且由于复合材料具有较好的抗疲劳性能，在疲劳载荷下损伤均无扩展，疲劳后剩余强度也不受疲劳试验影响。

表4   冲击后压缩试验结果

表5   冲击后凹坑深度与损伤面积对比

图3   冲击后压缩剩余强度试验结果对比

2.2 面内剪切试验

复合材料层压板面内剪切静力及疲劳试验均按照ASTM D5379试验标准进行[8]，试验前通过超声A扫进行预埋缺陷检测，疲劳试验进行106循环后再采用超声A扫进行缺陷扩展检测，通过与疲劳试验前检测结果进行对比，所有试验件缺陷均无扩展，完成后按照静力试验方法进行疲劳后剩余强度试验。

面内剪切试验结果见表6，剪切强度试验结果对比见图4，从试验结果可以看出，制造缺陷对复合材料面内剪切强度几乎没有影响，但当含制造缺陷复合材料在疲劳载荷作用后，由于重复载荷对分层处界面有层间剪切的作用，层间分层处虽然没有损伤扩展，但层间作用力会有所降低，并且面内剪切对层间分层的敏感性，因此对含制造缺陷复合材料在受到疲劳载荷作用后，面内剪切性能会有所降低。

表6   面内剪切试验结果

图4   面内剪切强度试验结果对比

2.3 螺栓挤压试验

复合材料层压板螺栓挤压静力及疲劳试验均按照ASTM D5961试验标准进行[9]，试验前通过超声C扫进行试验件预埋缺陷位置与尺寸检测，疲劳试验进行106循环后再采用超声C扫进行缺陷扩展检测，通过与疲劳试验前检测结果进行对比，所有试验件缺陷均无扩展，完成后按照静力试验方法进行疲劳后剩余强度试验。螺栓挤压试验结果见表7，挤压强度试验结果对比见图5，从试验结果可以看出，制造缺陷对复合材料孔挤压强度基本没有影响，但当螺栓孔与螺栓进行挤压疲劳试验后，螺栓孔局部在重复挤压载荷作用下其挤压强度有所增强，也就是螺栓孔产生局部强化效应，与开孔拉伸试验件在疲劳试验后静强度有所增加相一致。因此，复合材料层压板螺栓孔在挤压疲劳载荷作用后，螺栓孔挤压强度会有所增加。

图5   螺栓挤压试验结果对比

表7   螺栓挤压试验结果

2.4 长桁压损试验

复合材料长桁压损静力试验通过试验机上下平台进行均匀施加压缩载荷的试验方法进行试验，试验状态如图6所示。疲劳试验对试验件下端面进行限位固定，保证试验过程中试验件不会产生滑动。试验前通过超声C扫进行预埋缺陷位置与尺寸检测，疲劳试验进行106循环后再采用超声C扫进行缺陷扩展检测，通过与疲劳试验前无损检测结果进行对比，所有试验件缺陷均无扩展，完成后按照静力试验方法进行疲劳后剩余强度试验。

长桁压损试验结果见表8，压损试验结果对比见图7，试验件破坏模式见图8。压损试验中，由工字长桁与蒙皮共同承担压缩载荷，压损载荷大小主要与试验件横截面承载能力和试验件稳定性有关，试验中采用应变片进行试验件变形监控，通过调整试验件在压缩圆盘中的位置尽量保证试验件承受均匀压缩载荷，试验件基本都是端头压塌的破坏模式。因此，压损试验基本不存在失稳问题，均是试验件横截面承受压缩载荷至极限而发生破坏。从试验结果可以看出，制造缺陷对长桁压缩性能基本没有影响，但当试验件中含有制造缺陷时，由于制造缺陷在压缩过程中会对试验件局部分层有所影响，因此含制造缺陷试验件的承载能力分散性较大。

图6   长桁压损试验状态照片

图7   长桁压损试验结果对比

图8   压损试验破坏模式

表8   长桁压损试验结果

3 结    论

本文针对复合材料制造缺陷通过试验件加工过程中预埋分层处理，通过开展静力与疲劳试验研究，根据试验结果可以得出以下几点结论：

（1）复合材料制造缺陷相对于冲击损伤，其损伤程度相对较小，对复合材料损伤阻抗及损伤容限性能均无影响，并且复合材料有较好的疲劳性能，疲劳载荷作用下制造缺陷与冲击损伤均无扩展；

（2）复合材料面内剪切性能对层间分层相对较为敏感，在重复剪切载荷作用下，预埋分层的层间作用力将会减弱，面内剪切剩余强度也会随之降低，但影响相对较小；

（3）含孔复合材料结构在重复挤压载荷作用下，螺栓孔周围会产生局部强化作用，复合材料螺栓孔挤压性能有所增加，螺栓孔周围局部强化机理有待进一步开展研究；

（4）复合材料制造缺陷对长桁蒙皮组合结构压缩承载能力基本没有影响，但由于制造缺陷的存在，会影响其承载能力的一致性。

总体而言，本文中复合材料预埋缺陷损伤不会影响复合材料结构静强度，也不会严重影响复合材料疲劳后剩余强度性能，制造缺陷作为复合材料第一类损伤类型，在复合材料结构设计中应针对关键部位进行充分的分析与验证，以确保结构全寿命周期内的安全可靠性。