北交 - 北理工top期刊：碳/碳蜂窝结构多尺度性能预报与损伤分析

1导读

空间科学技术的发展，新一代天文望远镜、空间相机和卫星等高分辨率航天器面临分辨率的提升和尺寸的增大，对它们的承载平台结构提出了更高要求。一方面，高分辨率要求结构具备超高稳定特性，即在温度和湿度作用下满足“双近零膨胀”变形，又需要在辐照、交变温度等空间环境下维持稳定状态。另一方面，为了提高承载能力，并降低冗余质量和经济成本，需要提升结构自身的刚度、强度和轻量化水平。

新型碳/碳(C/C)蜂窝夹层结构继承了C/C复合材料的高力学性能和极低的热、湿膨胀系数，同时发挥了蜂窝夹层结构的高比强度、高比刚度和轻质优势，从而能够满足承载平台结构对超高稳定性、轻量化和高承载的要求。但目前，在蜂窝夹层结构的传统性能评估方法中，性能预测模型缺乏对蜂窝芯织物结构、薄壁碳基复合材料各向异性特性和损伤机理的描述，也缺乏对轻质-高承载协同性能的评价手段，难以满足C/C蜂窝夹层结构精细化设计需求，亟需开展新型超高稳定-轻量化结构的设计与性能分析方法研究。

2023年，《Thin-Walled Structures》期刊和《Journal of Materials Research and Technology》期刊分别发表了北京交通大学和北京理工大学在C/C蜂窝结构多尺度设计、制备与损伤机制分析方面的研究工作，论文标题分别为“Multi-scale damage modeling and out-of-plane shear behavior of carbon/carbon honeycomb structure”和“A multi-scale damage model and mechanical behavior for novel light-weight C/C honeycomb sandwich structure”。第一作者为北京交通大学博士研究生郭立佳，通讯作者为北京交通大学李玮洁副教授和北京理工大学张中伟研究员。

2内容简介

图1(a)为C/C蜂窝夹层结构制备过程。文章首先使用连续碳纤维织物制备用于蜂窝芯的整体编织碳纤维蜂窝预制体，其中每个蜂窝壁中的纤维取向为±45°。其次，采用化学气相渗透(CVI)工艺对蜂窝预制体进行沉积，脱模后得到碳/碳蜂窝芯。图1(b)为蜂窝夹层结构几何模型，蜂窝芯由边长为l、壁厚为t的多个正六边形胞元组成。为了观察蜂窝芯中C/C复合材料的真实细观结构，该文采用计算机断层扫描(μ-CT)技术得到了蜂窝结构的二维断面图像，并建立了单层和双层蜂窝壁的细观尺度代表性体积单元(RVE)模型。

图1(a) C/C蜂窝夹层结构制备过程，(b) C/C蜂窝夹层结构宏观和细观几何模型。

由于蜂窝的薄壁性质，导致C/C蜂窝壁的各向异性性能不可测。因此，本文提出多尺度信息传递过程(图2)，以建立细观尺度和宏观尺度模型之间的联系。首先引用碳纤维和碳基体的材料参数对细观尺度RVE模型进行有限元分析，计算过程中调用编写的用户定义材料子程序(UMAT)，从而预测C/C蜂窝薄壁的力学性能参数。而后将从细观分析中获得蜂窝壁性能引入宏观模型，通过编写包含宏观损伤和本构模型的UMAT子程序，进行有限元模拟分析C/C蜂窝结构的力学性能。

图2 多尺度信息传递策略

图3为C/C蜂窝夹层结构的面外压缩特性。从图3(a)的实验结果可以观察到，断裂和屈曲失效发生在蜂窝芯的中间区域。从图3(b)所示的C/C蜂窝芯损伤演化模拟结果可以看出，基体损伤集中在C/C蜂窝芯的中部，这与实验结果一致。高度对蜂窝的压缩特性有很大影响(图3(b))，随着高度的增加，C/C蜂窝夹层结构的强度、模量、比刚度和比强度都降低，蜂窝芯的失效模式由蜂窝芯中部的基体损伤转变为蜂窝芯端部的纤维损伤，当蜂窝芯高度达到50mm时，力学性能趋于稳定。为了进行轻量化-高承载综合性能分析，蜂窝芯不同边长和壁厚对C/C蜂窝夹层结构压缩性能的影响如图3(d)。包络面积越大，综合力学性能越好。考虑到结构应具有先进的轻质和承载，蜂窝芯边长和壁厚的最佳设计范围为l=5mm~7.5mm、t=0.3~0.4mm。

图3 C/C蜂窝结构的面外压缩特性：(a)实验破坏模式；(b)损伤演化过程；(c)高度对面外压缩特性的影响；(d)轻量化-高承载综合性能分析。

如图4(a)所示，首先对C/C蜂窝的剪切特性进行实验测试，与仿真结果进行对比。仿真模型中边界条件和位移条件的施加方式如图4(b)所示。实验与有限元模拟得到的损伤模式对比结果如图4(c)所示，从实验结果可以看出，断裂面出现在蜂窝结构左侧上表面到右侧下表面，与有限元模拟得到的损伤区域相同。图4(d)和(e)为纱线取向对C/C蜂窝L向和W向剪切性能的影响，可见纱线取向为±45°时，蜂窝具有最优的剪切性能。图4(f)为纱线角度对C/C蜂窝剪切损伤区域的影响，当纱线取向为0◦/90◦时，L和W向剪切损伤分别产生于L和W方向两端上下表面。当纱线取向为15◦/-75◦和30◦/-60◦时，损伤开始向蜂窝壁蔓延。当纱线方向为±45◦时，L和W向剪切损伤区域分别沿路径A和路径B分布。

图4 (a)剪切实验示意图；(b)C/C蜂窝在剪切载荷作用下的有限元模型；(c)实验与有限元模拟损伤模式对比；(d)纱线角度对C/C蜂窝L向剪切模量、强度的影响；(e)纱线角度对C/C蜂窝W向剪切模量、强度的影响；(f)不同纱线角度对C/C蜂窝剪切损伤模式的影响。

图5为边长、壁厚对C/C蜂窝剪切性能的影响，随着边长的增加、壁厚的减小，蜂窝结构的相对承载面积减小，模量和强度降低，比强度在l=6 mm处出现峰值(图5(a)-(c))。当边长为2.5mm时，经纱压缩、纬纱拉伸、基体拉伸和基体压缩损伤贯穿整个蜂窝壁。当l≥6 mm时，损伤沿蜂窝壁45◦方向分布，与纱线取向一致(图5(b))。另外，C/C蜂窝的L向剪切强度、模量、比刚度和比强度均随蜂窝高度的增加而减小(图5(d))。这也表明，蜂窝芯高度越小，蜂窝的承载能力越强。对于W向剪切的情况，边长增加，模量和强度下降，但比刚度和比强度先出现上升趋势，峰值出现在l=6 mm左右(图5(e))。且损伤模式在l=6 mm演变为斜穿过蜂窝壁(图5(f))。随着壁厚的增加，C/C蜂窝线段的W向剪切模量和强度提高，比模量和比强度的下降(图5(g))。壁厚大于0.4mm时，六种损伤模式从蜂窝壁的边缘区域扩散到中间区域(图5(h))。

图5 边长、壁厚对C/C蜂窝剪切性能的影响。

3小结

为了满足高分辨率航天器光电结构的超高稳定性和轻量化需求，制备了新型整体编织C/C蜂窝结构。建立多尺度信息传递策略对C/C蜂窝结构的力学性能进行研究，分析不同参数对C/C蜂窝夹芯结构面外压缩、剪切和失效模式的影响，阐述高承载-轻量化竞争机制、损伤及其转变机制。结果发现，满足轻量化-高承载协同的胞元设计参数为边长5mm~7.5mm、壁厚0.3mm~0.4mm、纱线取向±45°；面外压缩损伤模式在高度为30mm时由蜂窝壁内的基体损伤转变为端部的纤维损伤；边长增大到6mm、壁厚减小到0.2mm时，剪切损伤区域逐渐向斜穿蜂窝壁转变。

原始文献：

Lijia Guo, Hongcui Wang, Weijie Li*, Mengshan Zhang, Yue Qiu, Zhijia Liu, Zhongwei Zhang*. Multi-scale damage modeling and out-of-plane shear behavior of carbon/carbon honeycomb structure. Thin-Walled Structures, 2023, 192: 111103.

Lijia Guo, Hongcui Wang, Yuping Yang, Weijie Li*, Yue Qiu, Zhijia Liu, Zhongwei Zhang*. A multi-scale damage model and mechanical behavior for novel light-weight C/C honeycomb sandwich structure. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 25: 2097-2111.

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263823123005815

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785423013492

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