采用拉伸工艺制备超轻全CFRP蜂窝夹层圆柱壳，通过理论推导得到轴向压缩下夹层圆柱壳五种典型失效模式对应的临界失效载荷，生成三维失效机理图，直观揭示无量纲参数对结构失效的影响。选取面板厚度作为变量，对夹层圆柱壳进行准静态轴向压缩试验，观察到胞内屈曲和表面压溃两种失效模式，与理论结果一致。对试验结果进行了系统的分析和讨论。将超轻全CFRP蜂窝夹层圆柱壳与现有圆柱壳进行了对比，揭示了其承载优势。建立的失效机理图为蜂窝夹层圆柱壳的制备和优化提供了指导。与传统的蜂窝芯制备工艺相比，新型拉伸工艺有望实现量产，有助于为航空航天结构件轻量化制造提供技术支持。

 

 

一、 引言

随着航空航天领域对轻量化技术的需求日益增长，碳纤维复合材料因其优异的力学性能和可设计性而成为研究热点。夹层圆柱作为一种轻质高强的结构形式，在航空航天等领域具有广泛的应用前景。蜂窝芯材因其轻质高强的特性，成为夹层圆柱芯材的理想选择之一。目前，夹层圆柱的制备方法主要包括缠绕工艺、锁扣工艺、热压工艺和3D打印等。然而，这些方法都存在一定的局限性，例如制备成本高、操作步骤复杂、制备效率低等。

 

近日，Top期刊《Composite Structures》发表了一篇由哈尔滨工程大学先进船舶材料与力学重点实验室与哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院工程力学系、哈尔滨工业大学复合材料研究中心的研究团队完成的有关轴向压缩下超轻全CFRP蜂窝夹层圆柱的制备与失效机理的研究成果。该研究开发了一种新型拉伸工艺来制备超轻全碳纤维蜂窝夹层圆柱，并通过理论分析和实验研究，揭示其在轴向压缩下的失效机理，为夹层圆柱的轻量化设计和制造提供理论指导和实践依据。论文标题为“Fabrication and failure mechanisms of ultralight all-CFRP honeycomb sandwich cylinders under axial compression”。

 

二、内容简介

超轻型全CFRP蜂窝夹芯圆筒的制造过程，包括蜂窝芯材和面板的制备以及它们的组装。所有CFRP夹芯圆筒，包括面板和蜂窝芯，都是通过热压和拉伸工艺分别制成的碳纤维单向预浸料。制造过程分为三个步骤：制作面板和芯材，以及它们的组装。通过将预浸料和剥离层交替堆叠形成蜂窝芯，然后在自动压力机中固化。将蜂窝芯拉伸成整体蜂窝形状，并在真空干燥箱中热定型。第二步是制备面板，将预浸料切割成矩形并堆叠成层合，然后在圆柱形模具上固化。最后，使用粘合膜J-272C将面板和芯材组装在一起，并在130°C下固化2小时。为了防止测试过程中端部失效，还在圆筒的两端注入环氧树脂并抛光。

 

图1.蜂窝芯夹层圆柱壳的制造过程。

 

图 2. 蜂窝夹层圆柱体照片，外板已拆除，以供演示。

 

研究从理论角度分析了蜂窝夹芯圆柱在轴向压缩下的可能失效模式，并推导出每种模式对应的临界载荷公式。包括欧拉屈曲、全局屈曲、单元内屈曲、面皱折和面压碎在内的多种破坏模式。当圆柱的长度与直径比足够大时，可以将其视为细长杆，并利用欧拉屈曲公式计算临界载荷。当圆柱壁较薄且芯材刚度较高时，在轴向压缩下可能发生整体屈曲。薄面板蜂窝夹芯圆柱的失效模式，面板在蜂窝壁包围的单元内发生屈曲。面板起皱通常发生在蜂窝芯的多个单元内，起皱表现为局部面板上的凹槽和凸起。而当面板足够厚时，蜂窝夹芯圆柱在轴向压缩下直接发生面板压溃。通过这些公式，可以预测夹芯圆筒在不同几何尺寸和材料参数下的轴向压缩强度。此外，还绘制了三维破坏机制图，直观地展示了不同破坏模式的条件和可能性，这些图表有助于理解结构在不同参数条件下的破坏机制，为实际工程应用提供指导。

图3.蜂窝夹层圆柱壳的失效机理图。

 

关于超轻型全CFRP蜂窝夹芯圆筒进行的准静态轴向压缩测试，测试使用INSTRON 322通用试验机以0.1 mm/min的速率加载，记录了试样的载荷和位移。同时引入了非接触式数字图像相关（digital image correlation;DIC）技术来收集破坏模式和全场变形数据。DIC系统通过追踪试样表面的图像来测量三维坐标、位移和应变。测试前，试样表面喷涂了散斑。此外，试验机和DIC系统的采样频率保持一致，确保了数据的同步性和准确性。通过这些实验，观察并分析了不同面板厚度对结构破坏机制和机械性能的影响。

 

图4.轴向压缩试验照片：（a）试验装置，（b）DIC系统示意图。

 

 

图5. 利用DIC技术得到的1#1在不同时刻的平面外位移分布。

 

研究描述了超轻型全CFRP蜂窝夹芯圆筒在轴向压缩下的实验现象和结果，并系统讨论了面板厚度对结构破坏机制和机械性能的影响。通过制造两种类型的试样（薄面板和厚面板），并进行轴向压缩测试，观察到两种主要的破坏模式：薄面板试样的单元内屈曲和厚面板试样的面压碎。利用DIC技术辅助研究，输出了试样的全场变形数据。实验结果与理论预测相一致，验证了理论分析的准确性。此外，作者还比较了不同核心类型的碳纤维夹芯圆筒的轴向压缩性能，发现蜂窝夹芯圆筒在承载能力和等效强度方面具有一定的优势，表明这些结构在航空航天领域具有巨大的设计和应用潜力。

 

图6. 利用DIC技术得到的1#2在不同时刻的平面外位移分布。

 

 

图7.外板断口形貌。

 

三、 小结

该研究开发了一种新型拉伸工艺制备超轻全碳纤维蜂窝夹层圆柱，并通过理论分析和实验研究，揭示了其在轴向压缩下的失效机理。结果表明，该新型蜂窝芯材具有轻质高强的特性，夹层圆柱的承载能力与桁架芯材和折叠芯材夹层圆柱相当，高于网格芯材和波纹芯材夹层圆柱。该研究为夹层圆柱的轻量化设计和制造提供了理论指导和实践依据，具有重要的工程应用价值。

 

原始文献：

Chu, Z., Wang, R., Tian, S., Wang, C., Wu, L., Wu, Q., & Yu, G. (2024). Fabrication and failure mechanisms of ultralight all-CFRP honeycomb sandwich cylinders under axial compression. Composite Structures, 345, 118386.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118386

 

 

来源：复合材料力学

关键词： 超轻全复合材料