低速冲击对K-cor夹层结构力学性能的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252016V01．37No．123853．3863ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．ca低速冲击对K—cor夹层结构力学性能的影响沈裕峰，李勇*，还大军，王鑫南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京210016摘要：K—cor夹层结构是应用Z—pin技术增强的一种新型高性能夹层结构，本文基于落锤冲击实验对低速冲击下K—cot夹层结构的力学性能进行了研究，结合红外无损检测和冲击后压缩强度(CAI)试验，对不同Z—pin植

2、入参数和芯材厚度对K—cor试样的冲击损伤阻抗进行了深入研究。研究结果表明：K—cor夹层结构的芯材越厚，则其冲击损伤面积越大，但剩余压缩强度比越高；在不超过植入间距的前提下，增加Z-pin的折弯长度能显著的降低K—cor结构冲击后的损伤面积，提高压缩强度；在相同芯材密度的情况下，提高Z—pin的折弯长度比增大植入密度更有利于减少K—cor试样冲击后的损伤面积，提高试样的压缩强度和其剩余压缩强度比。关键词：K—cor夹层结构；Z-pim冲击损伤；红外检测；剩余压缩强度中图分类号：V258；TB332文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)12—3853—11近年来，泡沫夹层结构

3、已广泛应用于航空、列车机车、船舶制造、医疗器械等诸多领域[1。3]，但其厚度方向的力学性能较低，造成结构对低速冲击损伤较为敏感，如极端冰雹天气带来的撞击、飞机在跑道上飞溅起的碎石、维护过程中的工具跌落都会对其造成冲击损伤[4。6]。如图1(a)所示[7]，泡沫夹层结构在遭遇低速冲击时，会在面板接触区形成凹坑，从而导致内部的泡沫芯材被挤压，局部发生致密化或者碎裂，并且冲击产生的横向剪切力会使泡沫芯材和面板发生脱粘，在冲击区形成孔洞，严重降低了泡沫夹层结构的刚度及强度[8。1⋯，从而对其安全服役产生威胁，因此有研究者提出利用Z-pin增强技术来改善复合材料层间的力学性能，提高结构的损伤阻抗和损伤

4、容限[11’13]。目前国内外已有Z—pin提高夹层结构抗冲击性能机理的研究报道：Nanayakkara等u4]研究了Z—pin90。植人时X—cot夹层结构的低速冲击损伤，发现当冲击能量只损伤结构面板时，Z—pin的植入并不能减少损伤面积或提高冲击后剩余压缩强度，只有在冲击载荷造成结构芯部破碎时，z—pin通过劈裂、局部屈曲、断裂等方式吸收冲击能量，才能提高结构的抗冲击性能；Zhou等[15]研究发现PVC泡沫夹层结构中中等密度的薄芯材和高强度的Z—pin具有更高的抗冲击特性；Peng等[16]研究了PVC夹层结构的低速冲击，发现在不可见的冲击损伤中，芯材失效所引起的损伤面积远小于界面失效

5、的损伤面积，并指出夹层结构的层间结合强度是抑制其冲击破坏时裂纹扩展的最重要因素，层间结合强度越高，试样底部的面板越不易因弯曲变形而与芯材分层。K—cor夹层结构是一种将半固化的Z—pin植入泡沫芯材中，并将露出泡沫两端的Z—pin折弯贴合泡沫表面，然后与面板共固化成的整体结构[17

6、，其中将Z—pin贴合泡沫芯材表面的长度称收稿日期：2016—01-15；退修日期：2016—01-28；录用日期：2016—05·26；网络出版时间：2016—05-3111：48网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detaii／11．1929V20160531．1148．010．htmI基金项目：航

7、空科学基金(2015ZE52049)；南京航空航天大学研究生创新基地开放基金(kfjj20150602)*通讯作者Tel．：025—84892980E—mail：lyong@nuaa．edu．crl}

8、蒲格武l沈裕峰．李勇．还大军．等．低速冲击对K—cor夹层结构力学性能的影响t山．航空学报．2016．37(12)：3853—3863．SHENYF，LIY，HUANDJ，etalEffectoflow-velocityimpactonmechanicalpropertiesofK-corsandwichstructureEJJActaAeronaufi·caetAstronauticaSin

9、ica．2016．37(12)：3853．3863．航空学报Dec．252016VoI37No．12之为Z—pin的折弯长度。从图1(b)K—cot夹层结构冲击损伤模式中可以看出，冲击区域的Z—pin不仅会发生屈曲或者断裂来吸收大量的冲击能量，使面板和泡沫芯材的损伤区域降低，且Z—pin在折弯部分使面板和芯材的界面结合性能增强，在冲击的作用下界面并不会产生孔隙或者产生的孑L隙很小，极大地提高了K—COt夹层结