引發(fā)方式、鋪層對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料圓柱殼吸能特性影響的沖擊試驗(yàn)研究

王 璠，何一帆，宋 毅，龍翔云

（暨南大學(xué)力學(xué)與土木工程系，教育部重大工程災(zāi)害與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510632）

引 言

結(jié)構(gòu)耐撞性在汽車、火車、飛機(jī)及電梯等的設(shè)計(jì)中極具重要性。早期的吸能結(jié)構(gòu)、元件主要采用金屬材料，但是結(jié)構(gòu)偏重，由于輕量化的要求，迫使人們將目光轉(zhuǎn)向輕質(zhì)材料［1］。隨著復(fù)合材料在工程領(lǐng)域逐漸深入地應(yīng)用，將復(fù)合材料殼體作為吸能結(jié)構(gòu)成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。在復(fù)合材料管吸能特性的研究方面，吳文科，秦瑞芬采用有限元分析程序?qū)苄渭_擊試驗(yàn)過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真分析［2］，李道奎等對(duì)軸壓含脫層的復(fù)合材料圓柱殼的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了具有針對(duì)性的試驗(yàn)方案，對(duì)含各種深度脫層與不含脫層的圓柱殼進(jìn)行了試驗(yàn)，并進(jìn)行了精度分析［3］。劉瑞同等發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)合理的復(fù)合材料對(duì)稱元件可以比金屬元件吸收更多的沖擊能量［4］。Tabiei和Bisagni等對(duì)復(fù)合材料對(duì)稱試件的研究表明，復(fù)合材料對(duì)稱試件是通過彈性變形之后的后續(xù)壓潰階段來達(dá)到吸收能量的目的，特殊的對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以更好的引發(fā)破壞，并且使破壞的過程更加易于控制［5，6］。梁希、張會(huì)杰、楊秋紅等通過對(duì)復(fù)合材料圓柱殼軸向壓縮試驗(yàn)研究了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的緩沖吸能特性［7～9］。

吸能元件經(jīng)破壞形式耗散沖擊能量的過程稱為能量吸收。復(fù)合材料圓柱殼受沖擊載荷的壓縮過程中表現(xiàn)為復(fù)雜的脆性破壞，其破壞吸能模式與纖維的排布方式、纖維的體積分?jǐn)?shù)、纖維／基體的界面性能等都有關(guān)系，表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性和非線性。

宋毅、王璠等已經(jīng)通過靜態(tài)試驗(yàn)研究玻璃纖維／聚酯樹脂基體復(fù)合材料圓柱殼的吸能特性［10］，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 試件材料及尺寸

試件委托廣州玻璃鋼廠制備，以玻璃纖維為增強(qiáng)相，聚酯樹脂為基體的復(fù)合材料圓柱殼，［±θ］5鋪層結(jié)構(gòu)，其尺寸規(guī)格如圖1所示：底面半徑50 mm，壁厚2.5 mm，高度100 mm。材料制備中標(biāo)準(zhǔn)試件的引發(fā)方式為如圖1所示直角無花紋。

2 沖擊試驗(yàn)的裝置及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用美國INSTRON落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)DYNATUP 9250 HV，外觀如圖2所示。

由于儀器的原裝沖頭沒有合適的沖擊平面，所以重新加工專用沖頭，沖頭裝配位置見圖3，沖頭形狀如圖4。左側(cè)沖頭的材質(zhì)是鋁合金的，右側(cè)的材質(zhì)是合金鋼的，圓形的沖擊平面的半徑大于試件半徑，為40 mm。

圖1 樣品尺寸Fig.1 Sample size

圖2 INSTRON落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)Fig.2 The INSTRON drop hammer impact test machine

圖3 沖頭安裝位置Fig.3 The position of the punch

圖4 沖頭Fig.4 The punch

2.2 試驗(yàn)方法及分析

試驗(yàn)分組：①按照鋪層角度分，分為45°，60°，70°，75°，90°，共5組；②按照4種引發(fā)方式分，分為內(nèi)倒角、外倒角、圓角、尖角，共4組。試驗(yàn)以5個(gè)同類型規(guī)格的試件為一小組進(jìn)行分組試驗(yàn)。在沖擊試驗(yàn)中，采用4 m／s的低速?zèng)_擊動(dòng)態(tài)加載。數(shù)據(jù)結(jié)果按每組平均值作比較，以研究鋪層方式和引發(fā)方式對(duì)吸能效果的影響。

3 正交各向異性材料的偏軸彈性特性

3.1 偏軸彈性常數(shù)

復(fù)合材料最常用和最基本的量是4個(gè)沿軸工程常數(shù)E1，E2，ν12，G12。試件的材料常數(shù)如表1［4］。

表1 玻璃纖維／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能參數(shù)Tab.1 The parameters of the glass fiber／epoxy composites

按照復(fù)合材料宏觀力學(xué)的基本理論，偏軸彈性模量Ex，Ey，Gxy。

則本試驗(yàn)所采用的玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂基體復(fù)合材料Ex，Ey，Gxy三個(gè)偏軸工程常數(shù)隨θ角度的變化如圖5所示。

從圖5可以看到：θ＝0°的時(shí)候，Ex有極大值，θ＝90°，Ex有極大值，但在θ＝60°附近時(shí)，Ex有極小值。為了說明這一現(xiàn)象，對(duì)式（1）求導(dǎo)

得sin2θ＝0，即θ＝0°和90°，－3.68cos2θ＋0.94＝0，解得θ＝59.64°。

圖5 材料的偏軸工程常數(shù)與θ的關(guān)系Fig.5 Relationship between the off－axis of the material engineering constants andθ

通過計(jì)算反應(yīng)了偏軸工程常數(shù)Ex的特性，Ey的特點(diǎn)基本與Ex一致，而Gxy關(guān)于θ＝45°對(duì)稱分布。

3.2 偏軸耦合系數(shù)

為了使離軸柔度具有明顯的物理意義，定義離軸工程耦合系數(shù)ηxy，x為僅由σx引起的νxy與εx的比值：

以表達(dá)正交異性單層的宏觀彈性性能耦合現(xiàn)象。工程常數(shù)ηxy，x，ηxy，y隨θ角的變化為：

其中：

圖6為本試驗(yàn)所采用的玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂基體復(fù)合材料工程常數(shù)ηxy，x，ηxy，y隨θ角的變化曲線。

圖6 工程常數(shù)ηxy，x，ηxy，y 隨θ角的變化情況Fig.6 The engineering constantsηxy，x ，ηxy，y with angleθ changes

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 纖維層鋪層角度對(duì)吸能效果的影響

圖7為鋪層角為45°，60°在4 m／s的軸向沖擊荷載作用下的破壞試件，從破壞的形式看到，鋪層為45°，60°的試件的破環(huán)形式為基體斷裂、纖維脫粘，纖維很少發(fā)生斷裂，整體脆斷。

這是因?yàn)榻嵌仍O(shè)置較小的鋪設(shè)纖維主要起到圓柱殼的軸向增強(qiáng)作用，大量的裂紋首先在強(qiáng)度較低的周向生成，并且隨著沖擊載荷的增加，管壁內(nèi)大量平行纖維方向的基體裂紋在單層或相鄰層內(nèi)沿纖維方向擴(kuò)展，基體的周向開裂使纖維沿周向開裂成分離的層束，試件破環(huán)，試件停止吸能，吸能效果較差。

鋪層角度為70°，75°，90°在4 m／s的軸向沖擊荷載作用下的破壞試件如圖8所示，其破壞形式主要表現(xiàn)為橫向剪切模式。

70°，75°，90°的纖維纏繞角度使此類元件圓柱殼周向剛度和強(qiáng)度相較45°，60°的元件要大，裂紋沿軸向擴(kuò)展，管壁發(fā)生剪切破壞，纖維大量斷裂?；w和纖維的斷裂吸收了大量的能量，產(chǎn)生很多細(xì)小的碎片。因此此類元件比吸能較高，能承受更好的沖擊能量，并且不容易整體失效。

此外，45°，60°元件表現(xiàn)出的破壞形式比較復(fù)雜，它的破壞模式、吸能效果與試件的成型工藝、加載速率、缺陷分布及均勻度、壓縮時(shí)的邊界條件（如端部有無潤滑）等相關(guān)。其壓潰過程中可能出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)或混合模式，任何參數(shù)的變化都可能導(dǎo)向不同的現(xiàn)象。

從圖7與圖8的對(duì)比可以看到45°，60°元件與70°，75°，90°元件有著不同的破壞模式，原因與鋪層角度造成橫向剛度、豎直剛度、剪切模量等工程常數(shù)有關(guān)。從圖5和圖6中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，豎直彈性模量Ex在60°附近有明顯升高、通過理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)θ＝59.64°時(shí)Ex才有極小值，剪切模量Gxy在60°附近有明顯下降，工程常數(shù)ηxy，y在θ＝60°附近的數(shù)值在0的附近，由負(fù)值變化為正值，這些都是元件在60°左右破壞形式發(fā)生改變的原因。

圖9為不同鋪層角度下玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂圓柱殼在4 m／s的軸向沖擊荷載作用下的位移—荷載曲線。從中可以看到鋪層角為70°時(shí)，載荷位移曲線包含的面積最大，為了清楚地說明吸能效果，用比吸能（單位質(zhì)量吸收的能量）柱圖表示在圖10中。

纖維鋪層方向這一影響因素有些特殊，對(duì)于不同的材料而言，纖維取向的影響趨勢(shì)是不同的。對(duì)于纖維纏繞成型的［±θ］n復(fù)合材料圓柱殼，隨著纏繞角從45°變化到90°，試件的破壞模式經(jīng)歷層束彎曲、局部屈曲、橫向剪切中一種或者多種模式混合的破環(huán)模式。復(fù)合材料圓柱殼的比吸能隨纖維層方位的改變而變化，其主要原因是由于纖維纏繞角度的不同引起的殼體軸向剛度的不同，由此在軸向沖擊的情況下導(dǎo)致了破壞模式和損傷機(jī)理的不同。

圖7 鋪層為45°，60°試件的破環(huán)形式Fig.7 The broken form of the specimen which ply is 45°and 60°

圖8 鋪層為70°，75°，90°的試件破壞形式Fig.8 The broken form of the specimen which ply is 70°，75°and 90°

圖9 不同鋪層角度位移－荷載曲線Fig.9 The displacement－load curve with the different plies angle

圖10 不同鋪層的比吸能Fig.10 The energy absorbed per unit mass with different plies

4.2 倒角引發(fā)形式對(duì)吸能的影響

復(fù)合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)作為緩沖吸能元件，一般要求在不減少比吸能的情況下有較長的引發(fā)階段和較低的載荷峰值。研究表明，對(duì)復(fù)合材料管端部進(jìn)行削弱處理，可以引導(dǎo)漸進(jìn)破壞過程并降低初始載荷。將鋪層角度為75°的玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂基圓柱殼試件經(jīng)過內(nèi)倒角、外倒角處理，并進(jìn)行4 m／s的軸向沖擊動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，得到載荷位移曲線，圖11為引發(fā)方式對(duì)荷載位移曲線的影響。

通過圖11可以清晰地看到，經(jīng)過管端部倒角處理的試件對(duì)于降低載荷峰值有著很好的效果，如經(jīng)過管端部內(nèi)倒角處理試件的載荷峰值從65 000 N左右降低到40000 N以下，下降了38.5%左右。

端部的倒角是否會(huì)對(duì)試件的吸能效果產(chǎn)生影響，圖12是標(biāo)準(zhǔn)件與倒角試件吸能的比較圖。

從圖12可以發(fā)現(xiàn)倒角結(jié)構(gòu)對(duì)吸能的影響是微小的。內(nèi)、外倒角與無倒角處理對(duì)殼體緩沖吸能影響的差異值如表2所示。

表2 倒角結(jié)構(gòu)對(duì)吸能的影響Tab.2 Chamfer structure affects energy absorption

從上表可以看到試件的倒角對(duì)試件的吸能效果的影響不大，控制在5%以內(nèi)，所以對(duì)倒角處理是合理的，既可以起到降低載荷峰值的作用，又不影響到試件的吸能效果。

圖11 倒角與標(biāo)準(zhǔn)件的荷載—位移曲線比較Fig.11 The displacement—load curve with the chamfer specimen and standard specimen

圖12 標(biāo)準(zhǔn)件與倒角試件比吸能比較Fig.12 The energy absorbed per unit mass with the chamfer specimen and standard specimen

圖13 ［±75°］5的兩種特殊引發(fā)方式Fig.13 Two special trigger mode of［±75°］5

圖14 尖角、圓角引發(fā)方式對(duì)破壞模式的影響Fig.14 The effect of miter，round trigger mode on failure mode

4.3 特殊引發(fā)結(jié)構(gòu)對(duì)吸能的影響

正是由于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)對(duì)初始缺陷非常敏感，采用何種引發(fā)方式可以更有效地引發(fā)破壞，并且使得破壞過程更易于控制成為了目前的研究熱點(diǎn)。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了鋪層方式為［±75°］5的兩種引發(fā)方式：尖角型、圓角型，如圖13所示。尖角型和圓角型高度均為98 mm，引發(fā)結(jié)構(gòu)部分的最高點(diǎn)到最低點(diǎn)距離均為15 mm，結(jié)構(gòu)呈軸對(duì)稱分布。

由圖14中可以看出，無論是尖角型還是圓角型的引發(fā)方式，破壞模式均與［±75°］5的標(biāo)準(zhǔn)件類似。以下從試驗(yàn)數(shù)據(jù)探討這兩種特殊引發(fā)方式對(duì)吸能效果的影響，其典型載荷—位移曲線如圖15所示。

圖15 倒角與標(biāo)準(zhǔn)件的荷載－位移曲線比較Fig.15 The displacement－load curve with the chamfer specimen and standard specimen

由圖15可以清晰地看到經(jīng)過重新切削處理管端部的特殊的引發(fā)方式，對(duì)于降低載荷峰值有著很好的效果，載荷峰值從66.6 k N降低到30 k N左右，比倒角的效果更明顯，下降了57%左右。而且從圖15可以發(fā)現(xiàn)，這種特殊的引發(fā)方式可以降低荷載上升的坡度，減緩峰值到達(dá)最高點(diǎn)的時(shí)間，作為緩沖元件，可以更好的保護(hù)其他主要元件。通過圖16可以看這到兩種特殊的引發(fā)結(jié)構(gòu)對(duì)比吸能的值有較大的影響。

從表3可見，圓角、尖角特殊的引發(fā)結(jié)構(gòu)試件的吸能效果比標(biāo)準(zhǔn)的試件增加了約80%。

由上述數(shù)據(jù)可以看到，無論是尖角型還是圓角型引發(fā)方式，破壞模式與［±75°］5的標(biāo)準(zhǔn)件相同，荷載的峰值降低了，荷載的增加速度減緩了，吸能效果增加了。

經(jīng)過重新切削處理管端部使得沖頭與試件端部的接觸更加平滑，端部的剛度會(huì)明顯降低，在沖擊過程中剛度逐漸變大，減緩峰值到達(dá)最高點(diǎn)的時(shí)間。同樣的，能量吸收的過程通過變緩，材料的纖維得到更多時(shí)間進(jìn)行形變吸能，使試件整體的吸能效果得到提升，如圖16所示。

表3 特殊引發(fā)結(jié)構(gòu)對(duì)吸能的影響Tab.3 The effect of special trigger mode on energy absorption

圖16 標(biāo)準(zhǔn)件與倒角試件比吸能比較Fig.16 The energy absorbed per unit mass with the chamfer specimen and standard specimen

4.4 討論分析

以上試驗(yàn)是采用鋁合金沖頭完成的，考慮到使用的沖頭的材料是鋁合金的，材料質(zhì)地軟，密度低，沖壓情況下，有可能通過自身變形，吸收部分能量，對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)造成一定的影響，采用合金鋼沖頭進(jìn)行試驗(yàn)。圖17是合金鋼沖頭、鋁合金沖頭試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

由圖18可以看到，整體上說沖頭的材質(zhì)對(duì)試件的吸能效果還是有一定影響的，但是影響不大，控制在2%～5%以內(nèi)，在合金鋼沖頭沖擊下的試件吸收的能量大于鋁合金的。說明鋁合金材質(zhì)軟吸收了的能量比合金鋼沖頭多，所以選用硬度大一些的沖頭對(duì)試驗(yàn)的影響會(huì)小一些。

圖17 不同沖頭下的荷載－位移曲線Fig.17 The displacement－load curve in different punch

圖18 沖頭材質(zhì)對(duì)吸能結(jié)果的影響Fig.18 The effect of material of punch on energy absorption

5 結(jié) 論

（1）復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)雖然有較好的吸能特性，但是如果不經(jīng)處理，較高的初始峰值很可能會(huì)傷及被保護(hù)的物件，因此也不能稱為理想的緩沖結(jié)構(gòu)。各種引發(fā)方式，無論是內(nèi)、外倒角還是尖角型和圓角型，都能達(dá)到降低初始峰值的作用，對(duì)被保護(hù)物件起到很好的保護(hù)作用。

（2）鋪層45°，60°與鋪層70°，75°，90°的破壞方式不同，鋪層45°，60°在沖擊下容易整體失效，而沒有充分吸收能量。鋪層70°，75°，90°的試件吸能效果明顯高于鋪層45°，60°的試件。在60°附近豎直彈性模量Ex有明顯升高、Ex為極值點(diǎn)，剪切模量Gxy明顯下降，工程常數(shù)ηxy，y數(shù)值在0的附近，由負(fù)值變化為正值。

（3）在各種引發(fā)方式的對(duì)比中，尖角型和圓角型的引發(fā)方式能極大地延長到達(dá)峰值所需的壓潰位移長度，比吸能比標(biāo)準(zhǔn)試件有所提高。

（4）倒角的引發(fā)方式的加工僅需對(duì)原有試件進(jìn)行略微的處理就可達(dá)到較為滿意的結(jié)果，尖角型和圓角型的引發(fā)方式則必須對(duì)原件做大規(guī)模的設(shè)計(jì)改動(dòng)。因此，倒角的處理模式可以方便地得到廣泛應(yīng)用。然而，尖角型和圓角型的引發(fā)方式具有強(qiáng)大的可設(shè)計(jì)性，破壞進(jìn)程的可控性更強(qiáng)，比吸能還有很大的提升空間，因此值得進(jìn)一步的研究探索。

（5）使用硬質(zhì)的沖頭要比使用軟材質(zhì)的沖頭對(duì)試驗(yàn)的影響要小，本試驗(yàn)中使用合金鋼沖頭對(duì)試驗(yàn)的影響會(huì)小一些。

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