復(fù)合材料層板沖擊損傷特性及沖擊后壓縮強(qiáng)度研究

林智育, 許希武, 朱偉垚

(南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究所飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016)

由于低速?zèng)_擊損傷大大削弱一般復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的承壓能力,低速?zèng)_擊后層合板的損傷特性以及其壓縮性能是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)必須考慮的嚴(yán)重情況之一,甚至可以用來對(duì)纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料韌性進(jìn)行表征。由于低速?zèng)_擊損傷壓縮性能與鋪層材料、鋪層順序、厚度、試件的邊界條件、支持條件以及沖擊物的特性等多種因素有關(guān),因此復(fù)合材料沖擊損傷及其沖擊后壓縮強(qiáng)度(CAI)的試驗(yàn)研究一直是許多研究者關(guān)注的中心。

目前,復(fù)合材料層板CAI的試驗(yàn)方法很多,迄今為止,仍未形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(如ASTM,ISO等)。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)有NASA[1],SACMA[2]/Boeing[3],CRAG[4],QMW[5],UTK[6]等。損傷主要以落錘低速?zèng)_擊造成,在剩余強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),避免結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)。

本工作參照NASA標(biāo)準(zhǔn)和航空標(biāo)準(zhǔn)(HB 6739—1993[7]),選取兩個(gè)結(jié)構(gòu)部件上兩種典型鋪層(A、C)、兩種材料體系(T300/QY8911、T300/ 5405)、三種支持形式(沖擊點(diǎn)四周懸空、有肋凸緣、梁凸緣或長(zhǎng)桁凸緣支持)、六種損傷能級(jí)共計(jì) 20組80件試驗(yàn)件進(jìn)行沖擊損傷特性及其壓縮剩余強(qiáng)度試驗(yàn)研究,討論了沖擊能量、支持條件等與沖擊損傷特性和沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度的關(guān)系。

1 層合板沖擊損傷試驗(yàn)研究

1.1 沖擊試驗(yàn)裝置

復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中,不可避免地會(huì)受到損傷,尤其是低能量物體的沖擊：包括各種工具的掉落,起飛、著陸過程中從跑道卷起的石子、輪胎碎片的撞擊,空中飛行時(shí)冰雹的撞擊等引起的損傷。由于自由落體式?jīng)_擊可以較好地再現(xiàn)上述低能量沖擊,且試驗(yàn)設(shè)備及操作相對(duì)簡(jiǎn)單,本試驗(yàn)采用自由落體式?jīng)_擊裝置對(duì)復(fù)合材料層合板進(jìn)行沖擊損傷預(yù)制。

沖擊試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)件支持裝置如圖 1所示。參照 HB 6739—1993[7]碳纖維復(fù)合材料層合板沖擊后壓縮試驗(yàn)方法,落錘的質(zhì)量為5kg,具有一個(gè)直徑為12.5mm的鋼質(zhì)半球形沖頭,沖頭軸線與板平面垂直,通過調(diào)整落錘的下落高度來控制沖擊能量和速率。試件夾持在兩鋼板之間,沖擊部分為一130mm×80mm的長(zhǎng)方形區(qū)域,所有的試件均保證不發(fā)生二次沖擊。

1.2 沖擊損傷試驗(yàn)件

試驗(yàn)選用的兩種材料體系為A：T300/QY8911和C：T300/5405,試件用材料的纖維體積含量約為60%。試件尺寸為 200mm×140mm,兩端加強(qiáng)片長(zhǎng)度為 30mm,鋪層順序分別為：[45/-45/0/-45/45/ 0/-45/45/90/45/-45/45/01/2]S共 25層和[45/-45/ 0/-45/45/0/90/-45/0/45/90/0]S共 24層。試驗(yàn)件形狀如圖 2所示。

圖1 沖擊試驗(yàn)裝置Fig.1 Impact test fixture

圖2 沖擊損傷試驗(yàn)件Fig.2 Impact damage sample

試驗(yàn)件組號(hào)、材料體系、件數(shù)及編號(hào)等見表 1。

表1 沖擊損傷試驗(yàn)件Table 1 Impact damage sample

1.3 試驗(yàn)件支持情況

表1中的沖擊損傷能級(jí)中的上角標(biāo)①②③所代表的三種彈性支持情況定義如下：

①?zèng)_擊點(diǎn)及四周懸空;

②沖擊點(diǎn)背面有梁凸緣(材料體系A(chǔ))或長(zhǎng)桁凸緣(材料體系C)支持,見圖3;

③沖擊點(diǎn)背面有肋凸緣(材料體系A(chǔ)和C)支持,見圖 4。

材料情況說明：

梁：LC9,E=70.6GPa,σb≥510MPa;

肋：LY12,E=66.7GPa,σb≥410MPa;

長(zhǎng)桁：T300/5405[45/0/-45/0/90/0/-45/0/45] s,E11=79.5GPa,E22=36.8GPa,υ=0.432,可用等剛度金屬代替。

連接情況說明：

梁凸緣、肋凸緣與壁板：?jiǎn)闻怕菟ㄟB接;

長(zhǎng)桁凸緣與壁板：膠接。

2 沖擊損傷試驗(yàn)及檢測(cè)

試驗(yàn)件在進(jìn)行沖擊損傷之前,進(jìn)行目視檢測(cè)和抽樣超聲C掃描無(wú)損檢測(cè),確保試驗(yàn)件沒有初始內(nèi)在損傷。

根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)芰?確定試驗(yàn)過程中落錘的高度,對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行沖擊損傷試驗(yàn),在試驗(yàn)過程中確保所有試件不發(fā)生二次沖擊。

2.1 目視檢測(cè)

沖擊試驗(yàn)結(jié)束后,通過目視檢測(cè)各典型試驗(yàn)件正、反表面的凹坑、基體開裂、分層和纖維斷裂等外觀損傷。圖 5和圖 6列出了沖擊點(diǎn)四周懸空支持條件下各組試驗(yàn)件中具有代表性的一個(gè)典型試件照片。

圖5 A系列試件沖擊后上表面(左圖)、下表面(右圖)外觀損傷Fig.5 Upper surface(left)and lower surface(right) damage of A series samp les aften impact (a)XYZ-D1A-3;(b)XYZ-D 2A-2;(c)XYZ-D3A-1; (d)XYZ-D6A-1

從圖 5和圖 6中可以看出,沖擊點(diǎn)周圍懸空支持條件下,該試驗(yàn)系列所有能量等級(jí)作用下,在層合板的前表面出現(xiàn)了表面凹坑,在后表面出現(xiàn)了基體開裂、分層和少量的纖維斷裂等損傷。前表面凹坑形狀為近似圓形,且隨著沖擊能量的增大,表面凹坑深度逐漸增大。后表面基體開裂沿表面纖維方向(45°方向),且隨著沖擊能力的增大,基體裂紋的長(zhǎng)度也隨之增加。

2.2 C掃描無(wú)損檢測(cè)

為了解不同沖擊能量造成的層合板內(nèi)部損傷嚴(yán)重程度及損傷面積的大小,使用PAC公司超聲C掃描無(wú)損檢測(cè)設(shè)備對(duì)沖擊后的試件進(jìn)行損傷檢測(cè)。

沖擊點(diǎn)四周懸空支持條件下,材料體系 A系列和C系列各組試件中典型沖擊后的C掃描損傷圖片如圖 7和圖 8所示。

從圖中可以看出,在該系列能量等級(jí)作用下,隨著沖擊能量的增加,層板的損傷面積隨著增加,且內(nèi)部的損傷程度加重。

沖擊點(diǎn)背面有肋凸緣支持情況下,材料體系A(chǔ)系列和 C系列各組試驗(yàn)件中典型沖擊后的C掃描圖片如圖 9和圖 10所示。

從圖中可以看出,隨著能量等級(jí)的增加,層板中內(nèi)部損傷面積增大,且損傷程度加重。與沖擊點(diǎn)四周懸空情況下相比較,在相同的能量等級(jí)作用下,無(wú)論是沖擊損傷面積,還是內(nèi)部損傷程度,沖擊點(diǎn)有肋凸緣支持情況下均小于(或輕于)沖擊點(diǎn)四周懸空支持情況下。

沖擊點(diǎn)背面有梁凸緣(A系列)和長(zhǎng)桁凸緣(C系列)支持情況下,各組試驗(yàn)件中典型沖擊后的 C掃描圖片如圖 11和圖 12所示。

從圖中可以看出,隨著能量等級(jí)的增加,層板中內(nèi)部損傷面積增大,且損傷程度加重。與沖擊點(diǎn)四周懸空情況下相比較,在相同的能量等級(jí)作用下,無(wú)論是沖擊損傷面積,還是內(nèi)部損傷程度,沖擊點(diǎn)有梁凸緣支持情況下均小于(或輕于)沖擊點(diǎn)四周懸空支持情況下。對(duì)于 C系列試驗(yàn)件,在長(zhǎng)桁凸緣支持下,層板無(wú)目視可檢損傷,但利用 C掃描無(wú)損檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn),在層板內(nèi)部出現(xiàn)了分層損傷。

3 沖擊損傷特性分析

3.1 沖擊能量與表面凹坑深度的關(guān)系

圖13和圖14為在三種支持形式(沖擊點(diǎn)四周懸空、有肋凸緣、粱凸緣或長(zhǎng)桁凸緣支持)下,在不同能量等級(jí)沖擊下,A系列和 C系列試驗(yàn)件前表面凹坑深度(采用百分表測(cè)量)與沖擊能量的關(guān)系。從圖中可以看出,隨著沖擊能量的增大,表面凹坑的深度增大。在沖擊點(diǎn)四周懸空支持條件下,在 0. 75J/層的能量等級(jí)作用下,某些試驗(yàn)件凹坑深度已超過層板的厚度,此時(shí)層板已被穿透。在沖擊點(diǎn)背面有梁凸緣支持下,A系列試驗(yàn)件表面凹坑深度很小,且隨能量增加很平緩。而對(duì)于沖擊點(diǎn)背面有長(zhǎng)桁支持條件下,C系列前表面無(wú)目視可檢沖擊凹坑損傷。對(duì)于沖擊點(diǎn)背面有肋凸緣支持條件下,A系列和C系列試驗(yàn)件表面凹坑深度均小于沖擊點(diǎn)四周懸空支持條件下。

3.2 沖擊能量與基體裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系

圖15和圖16為在三種支持形式(沖擊點(diǎn)四周懸空、有肋凸緣、粱凸緣或長(zhǎng)桁凸緣支持)下,在不同能量等級(jí)沖擊下,A系列和C系列試驗(yàn)件后表面基體裂紋長(zhǎng)度(采用游標(biāo)卡尺測(cè)量)與沖擊能量的關(guān)系。隨著沖擊能量的增大,背面基體裂紋的長(zhǎng)度增大。但對(duì)于沖擊點(diǎn)四周懸空支持條件下,當(dāng)沖擊能量超過0.65J/層時(shí),背面基體裂紋長(zhǎng)度的增長(zhǎng)已很平緩,這是因?yàn)楸趁婊w裂紋已經(jīng)到達(dá)試件的沖擊邊界。對(duì)于沖擊點(diǎn)背面有梁凸緣支持情況下,A系列試驗(yàn)件背面基體裂紋長(zhǎng)度增長(zhǎng)很平緩,與該條件下前表面凹坑深度的增長(zhǎng)規(guī)律相似。對(duì)于沖擊點(diǎn)背面有長(zhǎng)桁支持條件下,C系列試驗(yàn)件沖擊背面無(wú)目視可檢的基體裂紋開裂損傷。對(duì)于沖擊點(diǎn)背面有肋凸緣支持條件下,A系列和C系列試驗(yàn)件沖擊背面基體裂紋長(zhǎng)度均小于沖擊點(diǎn)四周懸空支持條件下。

3.3 沖擊能量與損傷面積的關(guān)系

圖17和圖18為在三種支持形式(沖擊點(diǎn)四周懸空、有肋凸緣、粱凸緣或長(zhǎng)桁凸緣支持)下,在不同能量等級(jí)沖擊下,A系列和C系列試驗(yàn)件損傷面積(采用C掃描測(cè)量)隨沖擊能量改變的變化規(guī)律,可見隨著沖擊能量的增加,層合板的損傷投影面積擴(kuò)大。在沖擊點(diǎn)四周懸空支持條件下,A系列試驗(yàn)件(材料T300/QY8911)相對(duì)于C系列試驗(yàn)件(材料T300/5405)隨著沖擊能量的增加,其損傷面積增加相對(duì)平緩,表明其更好的抗沖擊阻抗性能。且從試件的外觀看,由于該系列試驗(yàn)的沖擊能量均較大,試件背面的鋪層由于分層擴(kuò)展被限制而出現(xiàn)纖維斷裂。在沖擊點(diǎn)背面有肋凸緣、梁凸緣或長(zhǎng)桁凸緣支持下,相同能量沖擊損傷所造成的損傷投影面積均小于沖擊點(diǎn)四周懸空支持條件下所產(chǎn)生的損傷投影面積。

從前面三小節(jié)的分析可以看出,沖擊點(diǎn)位置不同的支持條件下,在相同的損傷能級(jí)的能量沖擊下,無(wú)論是沖擊面的凹坑深度、沖擊背面的基體裂紋長(zhǎng)度,還是損傷投影面積均具有很大的差別。相同損傷能級(jí)的能量作用下,隨著沖擊點(diǎn)背面支持剛度的增加,沖擊所造成的損傷隨之減小。

4 沖擊后壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)件沖擊后首先采用超聲 C掃描進(jìn)行損傷檢測(cè),然后采用砂輪切割機(jī)將試驗(yàn)件切割成200mm ×80mm后進(jìn)行沖擊后壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究所 WD2000A電子材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,加載速率為0.5mm/min。采用YJ-33型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀配合 YZ-22型轉(zhuǎn)換箱進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。壓縮試驗(yàn)夾具由側(cè)邊支持和上下壓板組成,保證壓縮層板不發(fā)生總體失穩(wěn)破壞,壓縮試驗(yàn)夾具見圖19所示。

圖19 沖擊后壓縮試驗(yàn)裝置Fig.19 The post-impact compression test rig

沖擊后壓縮,所有試件的破壞均起始于試件的沖擊點(diǎn)位置,沿垂直于載荷的方向擴(kuò)展破壞。圖 20為壓縮破壞時(shí)前后表面的破壞形式。試件在受壓過程中,分層擴(kuò)展時(shí)層合板內(nèi)會(huì)發(fā)出響聲,當(dāng)載荷較低時(shí),后表面會(huì)出現(xiàn)局部屈曲。繼續(xù)加載時(shí),該失穩(wěn)區(qū)只沿垂直載荷方向(90°方向)向兩邊擴(kuò)展,而在平行載荷方向(0°方向)不變動(dòng)。當(dāng)載荷達(dá)到一定水平時(shí),板的前后表面鋪層纖維發(fā)生斷裂,緊接著整個(gè)層合板發(fā)生最終破壞。圖 21為試驗(yàn)件側(cè)面的破壞形式,從照片中可以看出,試件大部分鋪層均已發(fā)生斷裂,試件為截?cái)嗍?在長(zhǎng)度方向存在局部分層現(xiàn)象。

圖20 復(fù)合材料層板沖擊后壓縮破壞外觀形態(tài)Fig.20 Damage of impacted composite laminateswhen failed (a)upper surface;(b)lower surface

5 沖擊后壓縮特性分析

5.1 沖擊能量與剩余強(qiáng)度的關(guān)系

圖22和圖 23分別描述了在不同支持條件(沖擊點(diǎn)四周懸空、肋凸緣支持、梁凸緣或長(zhǎng)桁凸緣支持)下,在不同的沖擊損傷能級(jí)作用下,A系列和C系列試驗(yàn)件剩余壓縮強(qiáng)度與沖擊能量的關(guān)系。

圖21 復(fù)合材料層板沖擊后壓縮破壞側(cè)向外觀形態(tài)Fig.21 Lateral damage of impacted composite laminates when failed

從圖中可以看出,無(wú)論在何種支持條件下,隨著沖擊能量的增加,試件的剩余強(qiáng)度隨之逐漸降低。在相同的沖擊能量作用下,沖擊點(diǎn)四周懸空支持條件下剩余壓縮強(qiáng)度最低,有肋凸緣支持情況下次之,有梁凸緣(或長(zhǎng)桁凸緣)支持情況下剩余強(qiáng)度最高。對(duì)于 A系列試驗(yàn)件,在沖擊點(diǎn)四周懸空和有梁凸緣支持條件下,剩余壓縮強(qiáng)度隨沖擊能量增加下降的幅度類似,而在有肋凸緣支持下則較為平緩。對(duì)于C系列試驗(yàn)件亦可以得到類似的結(jié)論。

5.2 沖擊能量與強(qiáng)度降百分比的關(guān)系

圖24和圖 25分別描述了在不同支持條件(沖擊點(diǎn)四周懸空、肋凸緣支持、梁凸緣或長(zhǎng)桁凸緣支持)下,在不同的沖擊損傷能級(jí)作用下,A系列和 C系列試驗(yàn)件強(qiáng)度降百分比與沖擊能量的關(guān)系。(A系列試驗(yàn)件的無(wú)損壓縮強(qiáng)度為617.37MPa,C系列試驗(yàn)件的無(wú)損壓縮強(qiáng)度為579.28MPa)。

從圖中可以看出,對(duì)于沖擊點(diǎn)四周懸空支持條件下,在 0.45J/層損傷能級(jí)能量作用下,A系列和C系列試驗(yàn)件的強(qiáng)度降達(dá)超過了60%,已經(jīng)嚴(yán)重影響其繼續(xù)使用。沖擊點(diǎn)背面有肋凸緣、梁凸緣(或長(zhǎng)桁凸緣)支持下,試驗(yàn)件的強(qiáng)度降相較于沖擊點(diǎn)四周懸空情況有所降低。但對(duì)于 A系列試驗(yàn)件,在有梁凸緣支持條件下,在 0.65J/層損傷能級(jí)能量作用下,其強(qiáng)度降亦超過了 56%,亦已嚴(yán)重影響其繼續(xù)使用。對(duì)于 C系列試驗(yàn)件,在有長(zhǎng)桁凸緣支持條件下,在不同損傷能級(jí)能量作用下,其最大強(qiáng)度降達(dá)到 34%,亦已對(duì)層板的強(qiáng)度產(chǎn)生比較大的影響。

6 結(jié)論

本研究對(duì)兩種典型鋪層(A、C)、兩種材料體系(T300/QY8911、T300/5405)、三種支持形式(沖擊點(diǎn)四周懸空、有肋凸緣、粱凸緣或長(zhǎng)桁凸緣支持)、六種損傷能級(jí)共計(jì) 20組 80件試驗(yàn)件進(jìn)行沖擊損傷特性及其壓縮剩余強(qiáng)度試驗(yàn)研究,研究結(jié)果如下：

(1)隨著沖擊損傷能級(jí)能量的增加,試件表面凹坑深度、損傷投影面積均線性增加,但沖擊背面基體裂紋達(dá)到一定程度后會(huì)趨于飽和?？梢哉J(rèn)為,表面凹坑深度、損傷投影面積可以用于表征沖擊損傷,而基體裂紋長(zhǎng)度不可以用于表征沖擊損傷。

(2)在相同的沖擊損傷能級(jí)能量作用下,不同的支持條件,對(duì)損傷特性(表面凹坑深度、基體裂紋長(zhǎng)度、損傷投影面積)有著很大的影響。隨著沖擊點(diǎn)背面支持剛度的增加,沖擊所造成的損傷隨之減小。

(3)復(fù)合材料層板沖擊后壓縮破壞同時(shí)包含了分層擴(kuò)展、子層屈曲等損傷擴(kuò)展現(xiàn)象,但最終的失效形式均為壓縮強(qiáng)度破壞。

(4)隨著沖擊損傷能級(jí)能量的增加,試件的剩余壓縮強(qiáng)度隨之下降。對(duì)于沖擊點(diǎn)四周懸空情況下,在0.45J/層損傷能級(jí)能量作用下,A系列和C系列試驗(yàn)件的強(qiáng)度降超過了 60%,已經(jīng)嚴(yán)重影響其繼續(xù)使用。當(dāng)沖擊點(diǎn)背面有肋凸緣、梁凸緣(長(zhǎng)桁凸緣)支持時(shí),下降程度有所降低。對(duì)于 C系列試驗(yàn)件,在有長(zhǎng)桁凸緣支持條件下,在不同損傷能級(jí)能量作用下,其最大強(qiáng)度降達(dá)到 34%,亦已對(duì)層板的強(qiáng)度產(chǎn)生比較大的影響。

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