裴鵬英,2 邵澤輝3 陳嘉勛 林子輝 陳春梅 曾 莉

1.廣東省測試分析研究所，廣東 廣州 510070；2.汕頭市中廣測分析中心有限公司，廣東 汕頭 515000；3.廣州分析測試中心科力技術(shù)開發(fā)公司汕頭分公司，廣東 汕頭 515000

蜂窩結(jié)構(gòu)由于自身幾何結(jié)構(gòu)的特殊性，其復(fù)合材料的抗沖擊強度及抗彎性能在得到極大提高的同時，質(zhì)量也顯著減小，而這種輕質(zhì)高強的特性極有利于制備大型輕便結(jié)構(gòu)等對質(zhì)量比較敏感的部件；蜂窩材料還具有以微結(jié)構(gòu)彈塑性屈曲、塑性破損或脆性斷裂為特征的平臺變形特性，因此是非常優(yōu)異的吸能材料[1-3]。

典型的蜂窩結(jié)構(gòu)由一系列尺寸相等的六邊形胞元有序排列形成，胞元的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括壁長(即胞壁長度)、壁厚(即胞壁厚度)、相鄰胞壁間夾角(即開口角)等。許多研究表明，胞元的結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響蜂窩材料的能量吸收性能的關(guān)鍵因素。余同希等[4]分析了面內(nèi)加載和面外加載條件下蜂窩材料的平臺應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)蜂窩材料的平臺應(yīng)力值均與壁厚成正比，與壁長成反比。彭蒙等[5]基于虛擬試驗法研究了芳綸紙蜂窩表面的樹脂涂層厚度對Nomex?蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)及損傷情況的影響，發(fā)現(xiàn)增加樹脂涂層厚度可有效提高Nomex?蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。趙輝等[6]利用有限元法分析了胞元的結(jié)構(gòu)參數(shù)對鋁蜂窩的吸能特性的影響，發(fā)現(xiàn)正六邊形蜂窩的平均應(yīng)力、質(zhì)量比吸能和體積比吸能均隨著壁長減小而增大，隨著壁厚增加而提高。齊佳旗等[7]通過半球頭式落錘沖擊試驗平臺，研究了低速沖擊載荷下鋁蜂窩胞元結(jié)構(gòu)參數(shù)對蜂窩夾層板的沖擊性能的影響，并利用有限元法做對比論證，試驗結(jié)果和仿真結(jié)果均表明，增加蜂窩芯的壁厚可以提高蜂窩夾層板的剛度和抗低速沖擊性能。KUMAR等[8]通過改變胞元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了蜂窩密度對材料的能量吸收和峰值力等多響應(yīng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)材料的能量吸收性能的影響因素順序依次為壁厚、壁長和蜂窩芯高度。

以上研究都充分說明，當胞元的壁長遠大于其壁厚時，壁厚較大的蜂窩材料具有更優(yōu)異的能量吸收性能，但上述試驗所采用的鋁蜂窩和芳綸紙蜂窩都是采用先經(jīng)膠結(jié)再經(jīng)熱壓的方法制成的，構(gòu)件的整體性都較差，且前者與其他剛性復(fù)合材料面板膠結(jié)時還存在機械加工要求高、工藝復(fù)雜等問題。目前市場上的三維蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其蜂窩胞元的胞壁都是由單層織物形成的，屬單層結(jié)構(gòu)，其厚度非常有限。本文在這類蜂窩結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將胞壁設(shè)計為三維織物，并成功織造了壁厚較大的蜂窩織物，以期為蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供材料基礎(chǔ)，有助于進一步驗證理論分析的準確性。

1 設(shè)計原理

以常見的胞壁為單層結(jié)構(gòu)的蜂窩織物為例：從織物厚度方向看，蜂窩織物的胞壁由2條接結(jié)邊(直邊)和4條自由邊(斜邊)構(gòu)成，其中自由邊的結(jié)構(gòu)被稱為基礎(chǔ)組織，接結(jié)邊的結(jié)構(gòu)被稱為接結(jié)組織。當基礎(chǔ)組織和接結(jié)組織均采用單層組織結(jié)構(gòu)如平紋組織時，蜂窩織物的經(jīng)向截面如圖1所示，其中Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)為非接結(jié)區(qū)，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)為接結(jié)區(qū)。在非接結(jié)區(qū)，各層織物彼此獨立，形成4條斜邊；在接結(jié)區(qū)，相鄰2層織物并為1層，形成2條直邊。該織物整體表現(xiàn)出三維織物的特征，但僅從局部區(qū)域(胞壁)來看，其自由邊和接結(jié)邊都是單層結(jié)構(gòu)。

圖1 基礎(chǔ)組織和接結(jié)組織均為平紋的蜂窩織物經(jīng)向截面示意

織物厚度的影響因素包括紗線線密度和經(jīng)緯紗的總層數(shù)，因此可通過增加經(jīng)緯紗層數(shù)的方式來增加蜂窩織物的胞壁厚度。通過織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，將胞壁由目前的單層結(jié)構(gòu)[圖2(a)]改為層間結(jié)構(gòu)連續(xù)的多層結(jié)構(gòu)[圖2(b)]，構(gòu)建壁厚較大的蜂窩織物。

圖2 蜂窩織物的壁厚設(shè)計

三維機織物一般由經(jīng)紗、緯紗和接結(jié)紗(也稱“Z向紗”)交織而成。最簡單的三維機織物包括正交組織、角聯(lián)鎖組織和三向交織組織，幾乎所有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維機織物都是由這三種組織衍生變化或組合而來的，因此它們可被看作三維機織物的三原組織。由于三向交織組織對織造技術(shù)和設(shè)備的要求高，故本文采用正交組織和角聯(lián)鎖組織作為基礎(chǔ)組織和接結(jié)組織。

2 基礎(chǔ)組織和接結(jié)組織均采用正交組織

正交組織包括整體正交組織和層間正交組織，每種正交組織又可以衍生變化而產(chǎn)生出多種結(jié)構(gòu)。對胞壁為單層結(jié)構(gòu)的蜂窩織物來說，在接結(jié)區(qū)，2個單層并為1層時，可將接結(jié)邊設(shè)計為2層的正交織物。由于單層織物的組織為平紋，需要2層經(jīng)紗與1層緯紗參與交織，因此在接結(jié)區(qū)，4層經(jīng)紗和2層緯紗構(gòu)成接結(jié)邊時，最簡單且適用的接結(jié)組織是帶襯經(jīng)的整體正交組織。如圖3所示，該織物中自由邊為單層結(jié)構(gòu)，接結(jié)邊為2層帶襯經(jīng)的正交結(jié)構(gòu)。

圖3 僅接結(jié)邊為多層正交結(jié)構(gòu)的蜂窩織物的經(jīng)向截面示意

類似地，當基礎(chǔ)組織為2層帶襯經(jīng)的整體正交組織時，接結(jié)組織則為4層帶襯經(jīng)的整體正交組織。所設(shè)計的胞壁為多層結(jié)構(gòu)的蜂窩織物的經(jīng)向截面如圖4所示，其中，織物組織循環(huán)經(jīng)紗數(shù)Rj=16根，組織循環(huán)緯紗數(shù)Rw=96根。

圖4 自由邊和接結(jié)邊均為多層正交結(jié)構(gòu)的蜂窩織物的經(jīng)向截面示意

從圖4可以看出，除完全呈平直狀態(tài)的襯經(jīng)(經(jīng)紗2、3、6、7、10、11、14、15)外，其余經(jīng)紗均可視為接結(jié)經(jīng)，由于接結(jié)次數(shù)和接結(jié)層數(shù)不同，不同接結(jié)經(jīng)的總屈曲程度存在差異，導(dǎo)致不同經(jīng)紗的張力和織縮率也存在差異。為保證織造過程順利進行，必須采用多經(jīng)軸送經(jīng)工藝。織造所需的紋板圖可先根據(jù)圖4所示的經(jīng)向截面圖繪出組織圖，再根據(jù)穿綜規(guī)律轉(zhuǎn)化而得到。

根據(jù)圖4所示的經(jīng)向截面示意圖，經(jīng)計算和統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)經(jīng)紗1、16的總屈曲程度相同，經(jīng)紗2、3、6、7、10、11、14、15的總屈曲程度相同，經(jīng)紗4、13的總屈曲程度相同，經(jīng)紗5、12的總屈曲程度相同，經(jīng)紗8、9的總屈曲程度相同。若所有總屈曲程度相同的經(jīng)紗被卷繞在同一個經(jīng)軸上，則需要5個經(jīng)軸進行供紗。

3 基礎(chǔ)組織和接結(jié)組織均采用角聯(lián)鎖組織

角聯(lián)鎖組織也包括整體角聯(lián)鎖組織和層間角聯(lián)鎖組織，每種角聯(lián)鎖組織又可衍生變化而產(chǎn)生出多種結(jié)構(gòu)。為使蜂窩織物中非接結(jié)區(qū)和接結(jié)區(qū)的結(jié)構(gòu)均勻，也便于復(fù)合時樹脂的滲透，可適用的角聯(lián)鎖組織為整體角聯(lián)鎖組織。由于整體角聯(lián)鎖組織織物中，經(jīng)紗層數(shù)總是比緯紗層數(shù)多1，當基礎(chǔ)組織選擇緯紗層數(shù)為2的整體角聯(lián)鎖組織時，所需要的經(jīng)紗層數(shù)是3，則在接結(jié)區(qū)共有6層經(jīng)紗參與交織，因此接結(jié)組織被設(shè)計為緯紗層數(shù)為5的整體角聯(lián)鎖組織。所設(shè)計的胞壁為多層結(jié)構(gòu)的蜂窩織物的經(jīng)向截面如圖5所示，其中織物組織循環(huán)經(jīng)紗數(shù)Rj=12根，組織循環(huán)緯紗數(shù)Rw=183根。

根據(jù)圖5所示的經(jīng)向截面圖，經(jīng)計算和統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)經(jīng)紗1、2、3、10、11、12的總屈曲程度相同，經(jīng)紗4、5、6、7、8、9的總屈曲程度相同。若所有總屈曲程度相同的經(jīng)紗被卷繞在同一個經(jīng)軸上，則需要2個經(jīng)軸進行供紗。

圖5 自由邊和接結(jié)邊均為多層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的蜂窩織物的經(jīng)向截面示意

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)三維蜂窩織物的基礎(chǔ)上，對蜂窩的胞壁結(jié)構(gòu)加以改進設(shè)計，采用三維織物取代原先的二維織物，可直接織造壁厚較大的三維蜂窩織物。當基礎(chǔ)組織和接結(jié)組織均采用正交組織或角聯(lián)鎖組織時，織物中經(jīng)紗的接結(jié)次數(shù)和接結(jié)層數(shù)并不相同，導(dǎo)致不同經(jīng)紗的總屈曲程度存在差異，故織造時必須采用多經(jīng)軸送經(jīng)工藝。