低速?zèng)_擊對(duì)K-cor夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

沈裕峰， 李勇， 還大軍， 王鑫

南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 南京 210016

低速?zèng)_擊對(duì)K-cor夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

沈裕峰， 李勇*， 還大軍， 王鑫

南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 南京 210016

K-cor夾層結(jié)構(gòu)是應(yīng)用Z-pin技術(shù)增強(qiáng)的一種新型高性能夾層結(jié)構(gòu)，本文基于落錘沖擊實(shí)驗(yàn)對(duì)低速?zèng)_擊下K-cor夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)合紅外無損檢測(cè)和沖擊后壓縮強(qiáng)度(CAI)試驗(yàn)，對(duì)不同Z-pin植入?yún)?shù)和芯材厚度對(duì)K-cor試樣的沖擊損傷阻抗進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明：K-cor夾層結(jié)構(gòu)的芯材越厚，則其沖擊損傷面積越大，但剩余壓縮強(qiáng)度比越高；在不超過植入間距的前提下，增加Z-pin的折彎長度能顯著的降低K-cor結(jié)構(gòu)沖擊后的損傷面積，提高壓縮強(qiáng)度；在相同芯材密度的情況下，提高Z-pin的折彎長度比增大植入密度更有利于減少K-cor試樣沖擊后的損傷面積，提高試樣的壓縮強(qiáng)度和其剩余壓縮強(qiáng)度比。

K-cor夾層結(jié)構(gòu)； Z-pin； 沖擊損傷； 紅外檢測(cè)； 剩余壓縮強(qiáng)度

近年來，泡沫夾層結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于航空、列車機(jī)車、船舶制造、醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域[1-3]，但其厚度方向的力學(xué)性能較低，造成結(jié)構(gòu)對(duì)低速?zèng)_擊損傷較為敏感，如極端冰雹天氣帶來的撞擊、飛機(jī)在跑道上飛濺起的碎石、維護(hù)過程中的工具跌落都會(huì)對(duì)其造成沖擊損傷[4-6]。如圖1(a)所示[7]，泡沫夾層結(jié)構(gòu)在遭遇低速?zèng)_擊時(shí)，會(huì)在面板接觸區(qū)形成凹坑，從而導(dǎo)致內(nèi)部的泡沫芯材被擠壓，局部發(fā)生致密化或者碎裂，并且沖擊產(chǎn)生的橫向剪切力會(huì)使泡沫芯材和面板發(fā)生脫粘，在沖擊區(qū)形成孔洞，嚴(yán)重降低了泡沫夾層結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度[8-10]，從而對(duì)其安全服役產(chǎn)生威脅，因此有研究者提出利用Z-pin增強(qiáng)技術(shù)來改善復(fù)合材料層間的力學(xué)性能，提高結(jié)構(gòu)的損傷阻抗和損傷容限[11-13]。

目前國內(nèi)外已有Z-pin提高夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能機(jī)理的研究報(bào)道：Nanayakkara等[14]研究了Z-pin 90° 植入時(shí)X-cor夾層結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊損傷，發(fā)現(xiàn)當(dāng)沖擊能量只損傷結(jié)構(gòu)面板時(shí)，Z-pin的植入并不能減少損傷面積或提高沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度，只有在沖擊載荷造成結(jié)構(gòu)芯部破碎時(shí)，Z-pin通過劈裂、局部屈曲、斷裂等方式吸收沖擊能量，才能提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能；Zhou等[15]研究發(fā)現(xiàn)PVC泡沫夾層結(jié)構(gòu)中中等密度的薄芯材和高強(qiáng)度的Z-pin具有更高的抗沖擊特性；Peng等[16]研究了PVC夾層結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊，發(fā)現(xiàn)在不可見的沖擊損傷中，芯材失效所引起的損傷面積遠(yuǎn)小于界面失效的損傷面積，并指出夾層結(jié)構(gòu)的層間結(jié)合強(qiáng)度是抑制其沖擊破壞時(shí)裂紋擴(kuò)展的最重要因素，層間結(jié)合強(qiáng)度越高，試樣底部的面板越不易因彎曲變形而與芯材分層。

K-cor夾層結(jié)構(gòu)是一種將半固化的Z-pin植入泡沫芯材中，并將露出泡沫兩端的Z-pin折彎貼合泡沫表面，然后與面板共固化成的整體結(jié)構(gòu)[17]，其中將Z-pin貼合泡沫芯材表面的長度稱之為Z-pin的折彎長度。從圖1(b)K-cor夾層結(jié)構(gòu)沖擊損傷模式中可以看出，沖擊區(qū)域的Z-pin不僅會(huì)發(fā)生屈曲或者斷裂來吸收大量的沖擊能量，使面板和泡沫芯材的損傷區(qū)域降低，且Z-pin在折彎部分使面板和芯材的界面結(jié)合性能增強(qiáng)，在沖擊的作用下界面并不會(huì)產(chǎn)生孔隙或者產(chǎn)生的孔隙很小，極大地提高了K-cor夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。國外的Baral等[18]研究發(fā)現(xiàn)K-cor夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能是蜂窩結(jié)構(gòu)的三倍。因此研究K-cor夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能具有重要意義。

本文通過改變芯材厚度、Z-pin折彎長度與植入密度，并結(jié)合紅外無損檢測(cè)和沖擊后壓縮強(qiáng)度(CAI)這兩個(gè)指標(biāo)，研究了K-cor夾層結(jié)構(gòu)在不同沖擊能量下的損傷狀況，獲得了抗沖擊性能最佳的K-cor夾層結(jié)構(gòu)芯部(包括泡沫芯材和Z-pin)設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1 夾層結(jié)構(gòu)沖擊損傷模式圖Fig.1 Schematic diagram of impact damage in sandwich structure

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)備

材料：實(shí)驗(yàn)采用的K-cor夾層結(jié)構(gòu)試樣是由面板、芯材與Z-pin共固化制備，其中：面板，山東威海光威公司US12500單向預(yù)浸料鋪疊而成，鋪疊順序?yàn)閇0/90]2s，名義厚度為1 mm；芯材，德國Evonik Degussa公司Rohacell?31IG型PMI泡沫，厚度為12.5 mm、7 mm、5 mm 3種；Z-pin，昆山裕博公司FW-125環(huán)氧樹脂和日本東麗公司T300(3K)碳纖維拉擠制備而成，直徑為 0.5 mm；設(shè)備，Z-pin拉擠機(jī)與植入機(jī)(自制)，平板熱壓機(jī)(青島嘉瑞橡膠機(jī)械有限公司)，ZCJ-7162全自動(dòng)落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(深圳縱橫三思公司)，Image IR系列紅外熱成像儀(德國英福泰克公司)，新三思萬能試驗(yàn)拉伸機(jī)(深圳縱橫三思公司)。

1.2 試樣處理與測(cè)試

落錘沖擊測(cè)試：K-cor夾層結(jié)構(gòu)的沖擊試驗(yàn)按ASTM D7766 M-11的標(biāo)準(zhǔn)，在如圖2所示的落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，K-cor試樣尺寸為150 mm×100 mm，每種參數(shù)取5個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試。為了防止落錘對(duì)K-cor夾層結(jié)構(gòu)試樣的二次沖擊，試驗(yàn)機(jī)在支座上設(shè)有感應(yīng)機(jī)構(gòu)，能順利抓取沖擊試樣后彈起的落錘。落錘的錘頭為球形，直徑12.5 mm，錘重2 kg，錘體下落的軸線與夾層結(jié)構(gòu)面板相垂直，保證能量不被摩擦所損耗。因此可通過調(diào)節(jié)落錘下落的高度，調(diào)節(jié)沖擊能量，沖擊能量的表達(dá)式為

初中教育既是對(duì)小學(xué)教育的拓展和延伸，也是后續(xù)高中教育的基礎(chǔ)和開端，在學(xué)生的學(xué)習(xí)生涯中起著承上啟下的重要作用。初中教育的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)是初中數(shù)學(xué)課程教學(xué)，初中數(shù)學(xué)內(nèi)容本身就具有難度大的特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的邏輯運(yùn)算能力和理論思維能力有較高的要求。而在目前新課程標(biāo)準(zhǔn)要求下，初中數(shù)學(xué)教學(xué)不僅要注重并完善對(duì)學(xué)生基本數(shù)學(xué)知識(shí)的講解和傳授，更要著力培養(yǎng)初中生的獨(dú)立思考能力，使學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行自主思考，自主探究并取得自我發(fā)展，最終促進(jìn)學(xué)生綜合素養(yǎng)的提高。

Ei=mgh

(1)

式中：m為落錘質(zhì)量，2 kg；g為試樣當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋?.81 m/s2；h為落錘上升高度，m。

圖2 落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Landing impact testing machine

紅外無損檢測(cè)：首先利用熱源對(duì)沖擊后的K-cor試樣進(jìn)行均勻加熱，使試樣內(nèi)部的異常結(jié)構(gòu)(如界面分層、芯材凹陷、Z-pin斷裂等)以表面溫度場(chǎng)變化差異的形式表現(xiàn)出來，然后利用紅外成像技術(shù)連續(xù)觀察和記錄物體表面的溫度場(chǎng)變化，便可獲得材料的非均勻信息和表面下的結(jié)構(gòu)信息[19]。如圖3不同沖擊能量下的K-cor試樣紅外熱成像圖片所示，沖擊能量越高，K-cor試樣內(nèi)部的損傷區(qū)域越大，其中紅色區(qū)域是因?yàn)樵嚇釉谠庥龅退贈(zèng)_擊時(shí)，會(huì)造成面板中的基體和纖維的破壞，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的芯材裸露在空氣中，而空氣導(dǎo)熱能力較差，從而使沖擊頭附近區(qū)域的局部溫度最高[19]，如圖3(a)和圖3(b)所示，而顏色相對(duì)較弱的橙色或黃色區(qū)域是因?yàn)槊姘宓钠茐呐c芯材的凹陷會(huì)導(dǎo)致周邊區(qū)域的界面產(chǎn)生裂縫，使熱量在傳播中受到阻礙，從而高于非損傷區(qū)域的熱量[20]，如圖3(c)和圖3(d)所示。然后利用MATLAB平臺(tái)圖像處理功能，經(jīng)過采集圖像-圖像平滑-邊緣檢測(cè)-圖像分割-二值去噪，最后以外輪廓為邊界，統(tǒng)計(jì)像素?cái)?shù)目，獲取圖像面積信息，像素點(diǎn)數(shù)即區(qū)域損傷面積的大小。

圖3 不同沖擊能量下的K-cor夾層結(jié)構(gòu)紅外無損檢測(cè)圖像Fig.3 Images of infrared nondestructive testing of K-cor sandwich structure with different impacted energy

沖擊后壓縮強(qiáng)度測(cè)試：K-cor夾層結(jié)構(gòu)的壓縮試驗(yàn)按ASTM C364/C 364M-07的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，將低速?zèng)_擊后的試樣兩端裝在支撐夾具中，并用螺釘旋緊固定試樣，然后將夾具放入試驗(yàn)機(jī)裝置上，其中裝置下端為球面自適應(yīng)加載平板，在預(yù)載荷的作用下可以自動(dòng)調(diào)節(jié)夾具位置，從而保證載荷沿試樣中心垂直于試樣表面，不會(huì)由于附加彎曲而導(dǎo)致其提前破壞[21]，其裝置如圖4所示。

圖4 側(cè)壓裝置圖Fig.4 Lateral pressure device

(2)

式中：σa為沖擊損傷后夾層結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度，MPa；σ0為與之相對(duì)應(yīng)的未受沖擊的夾層結(jié)構(gòu)壓縮強(qiáng)度，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 芯材厚度的影響

圖5 芯材厚度對(duì)K-cor試樣損傷面積的影響規(guī)律Fig.5 Influence rule of core thickness on damaged area of K-cor sample

圖5為芯材厚度對(duì)K-cor試樣損傷面積的影響規(guī)律曲線，可以看出，在沖擊能量20 J的情況下，芯材厚度為5 mm的K-cor試樣損傷面積比芯材厚度為12.5 mm的K-cor試樣減少了35.8%。根據(jù)圖6不同芯材厚度的K-cor試樣紅外熱成像圖所示，芯材厚度為12.5 mm的K-cor試樣損傷區(qū)域中，面板和芯材的界面失效區(qū)域(即圖6(c)中橙色區(qū)域)占據(jù)較大一部分比例，相比于芯材厚度較薄的5 mm與7 mm試樣，界面失效區(qū)域(黃色區(qū)域)則顯得很小。造成這種現(xiàn)象的原因是不同芯材厚度的K-cor夾層結(jié)構(gòu)沖擊破壞機(jī)理不同。芯材較薄的K-cor 試樣在低速?zèng)_擊作用下是芯部的壓碎，且薄的芯材彎曲剛度較小，可以增大K-cor夾層結(jié)構(gòu)的撓度[22]，將沖擊的能量轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)變形需要的能量，所以轉(zhuǎn)換為損傷破壞的沖擊能量變少，損傷面積減??；而芯材較厚的K-cor試樣在低速?zèng)_擊下，泡沫芯材可以通過凹陷來大幅度吸收沖擊能量，但泡沫芯材與面板的不匹配變形使得界面處產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，從而導(dǎo)致面板和芯材的分離，極大地提高了結(jié)構(gòu)的損傷面積。

圖6 不同芯材厚度的紅外熱成像圖片F(xiàn)ig.6 Infrared thermal image with different core thickness

圖7為利用ABAQUS軟件建立的K-cor試樣沖擊有限元模型，其中采用cohesive單元來模擬面板與泡沫之間的樹脂層界面，利用2對(duì)非線性彈簧來模擬單根Z-pin折彎與植入泡沫中的兩部分，最后分別賦予其屬性和破壞準(zhǔn)則；網(wǎng)格劃分時(shí)都采用實(shí)體單元，泡沫和面板為C3D8R單元，cohesive層為CDH3D8單元。

從圖8所示20 J沖擊能量下K-cor夾層結(jié)構(gòu)面板與芯材界面的有限元分析結(jié)果，可以看出界面只在落錘沖擊附近的區(qū)域發(fā)生失效，而遠(yuǎn)離沖擊區(qū)的界面上幾乎沒有應(yīng)力分布，所以并不會(huì)對(duì)其造成破壞，且隨著芯材厚度的增加，相同沖擊能量下的K-cor試樣損傷面積逐漸增大，這與圖6紅外熱成像圖片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。沖擊損傷面積與芯材厚度的關(guān)系曲線如圖9所示，試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果基本相同，其趨勢(shì)走向表明當(dāng)K-cor夾層結(jié)構(gòu)中其他參數(shù)保持不變，芯材厚度增加到一定值時(shí)，沖擊后的損傷面積將保持不變，這是因?yàn)樾静倪^厚時(shí)，K-cor夾層結(jié)構(gòu)并不能靠結(jié)構(gòu)變形來釋放外來物的沖擊能量，這時(shí)所有的沖擊能量均由面板、界面、芯材與Z-pin吸收，并不能改變結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)制，因此夾層結(jié)構(gòu)的損傷面積基本不變。

圖7 K-cor夾層結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.7 Finite element model of K-cor sandwich structure

圖10(a)為不同芯材厚度K-cor試樣的沖擊后壓縮強(qiáng)度隨沖擊能量的變化曲線，從中可以看出，在沖擊能量為5 J時(shí)，芯材厚度越薄的K-cor試樣壓縮強(qiáng)度越高，這是由于在低能量的沖擊作用下，K-cor試樣內(nèi)部并沒有產(chǎn)生明顯的損傷，芯材越厚的試樣在壓縮載荷下芯材分擔(dān)的力越大，則芯材越易發(fā)生局部壓塌，從而導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)面板的總體屈曲失效。而沖擊能量達(dá)到7 J以上時(shí)，芯材厚度較大的K-cor試樣壓縮強(qiáng)度卻高于芯材厚度較薄的試樣，根據(jù)圖10(b)剩余壓縮強(qiáng)度比隨沖擊能量的變化曲線可知，這種現(xiàn)象是由于K-cor夾層結(jié)構(gòu)在7 J之后，芯材較薄的試樣剩余壓縮強(qiáng)度比急劇下降所導(dǎo)致。因?yàn)楫?dāng)沖擊能量較大時(shí)，主要是K-cor夾層結(jié)構(gòu)中的芯材通過局部凹陷來吸收沖擊能量，即芯材越薄，K-cor夾層結(jié)構(gòu)中泡沫芯材的損傷越大，在壓縮載荷的作用下越易發(fā)生剪切破壞，從而極大的降低了K-cor夾層結(jié)構(gòu)整體的承載極限。

圖8 不同芯材厚度的K-cor試樣有限元模擬結(jié)果 Fig.8 Results of finite element on K-cor sample under different core thickness

圖9 沖擊損傷面積與芯材厚度的關(guān)系曲線Fig.9 Variation of damaged area along with core thickness

圖10 不同芯材厚度的K-cor試樣壓縮強(qiáng)度和剩余壓縮強(qiáng)度比隨沖擊能量變化Fig.10 Change of compressive strength and residual compressive strength ratio of K-cor sample with different core thickness under different impact energy

2.2 Z-pin折彎長度的影響

圖11為不同沖擊能量下Z-pin折彎長度對(duì)K-cor損傷面積的影響規(guī)律曲線，其中K-cor試樣的芯材厚度均為12.5 mm，從圖中可以看出Z-pin折彎長度為5 mm的K-cor試樣在不同沖擊能量下的損傷面積基本都小于折彎長度為3 mm 的K-cor試樣，且在20 J的沖擊能量下，Z-pin折彎長度為5 mm的K-cor試樣損傷面積比折彎長度為3 mm的試樣降低了16.8%，這是由于折彎長度越長，芯材與面板的共固化面積越大，即其結(jié)合強(qiáng)度越高，所以能更好的吸收外來物對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的沖擊能量，阻止沖擊對(duì)K-cor夾層結(jié)構(gòu)所形成裂紋的擴(kuò)展，從而降低了結(jié)構(gòu)的損傷區(qū)域。

圖11 不同沖擊能量下Z-pin折彎長度對(duì)K-cor損傷面積的影響Fig.11 Effects of bending length of Z-pin on damaged area under different impact energy

圖12 Z-pin搭接示意圖Fig.12 Sketch map of Z-pin lap joint

但從圖11中看出，Z-pin折彎長度為7 mm 的K-cor試樣并不能有效的降低結(jié)構(gòu)在沖擊能量作用下形成的損傷面積，甚至比折彎長度為 5 mm 的K-cor試樣形成的損傷面積都要大。這是由于該參數(shù)的K-cor夾層結(jié)構(gòu)試樣中Z-pin植入密度為6 mm×6 mm，折彎長度為7 mm的Z-pin 已經(jīng)超出了其植入間距，導(dǎo)致Z-pin折彎后的部分在4個(gè)方向會(huì)互相搭接，如圖12所示，因此在與面板共固化時(shí)面板上會(huì)有凸起的部分，導(dǎo)致其與周圍部分的結(jié)合強(qiáng)度降低，從而在受到外來物沖擊時(shí)這些局部凸起部分造成的應(yīng)力集中會(huì)使周圍連接區(qū)域失效，擴(kuò)大了夾層結(jié)構(gòu)的損傷面積，沒有起到增強(qiáng)K-cor夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的作用。另外，雖然在沖擊能量為20 J的情況下，折彎長度為7 mm的K-cor試樣損傷面積比折彎長度為3 mm的試樣降低了10%，但在其他Z-pin參數(shù)不變的情況下，折彎長度的增加勢(shì)必會(huì)帶來結(jié)構(gòu)質(zhì)量的增加，所以該參數(shù)優(yōu)勢(shì)變得更小。

圖13(a)為不同折彎長度的K-cor試樣在不同沖擊能量下壓縮強(qiáng)度的變化規(guī)律曲線，從中可以看出折彎長度為5 mm的K-cor試樣在任何沖擊能量下壓縮強(qiáng)度都比折彎長度為3 mm的K-cor試樣高，根據(jù)歐拉屈曲公式可知，折彎長度的增長提高了面板與芯材的結(jié)合強(qiáng)度，使得結(jié)構(gòu)的抗彎剛度(EI)變大，從而延遲了K-cor試樣在壓縮載荷下屈曲現(xiàn)象的發(fā)生，提高了K-cor夾層結(jié)構(gòu)整體的壓縮強(qiáng)度。

根據(jù)圖13(b)剩余壓縮強(qiáng)度比隨沖擊能量的變化曲線可知，當(dāng)沖擊能量低于10 J時(shí)，不同折彎長度的K-cor夾層結(jié)構(gòu)剩余壓縮強(qiáng)度比基本相同，但當(dāng)沖擊能量大于10 J時(shí)，折彎長度為3 mm的K-cor試樣壓縮強(qiáng)度急劇下降，最終剩余壓縮強(qiáng)度比只有32.22%，這是由于K-cor夾層結(jié)構(gòu)試樣在10 J左右時(shí)面板纖維剪切斷裂，沖擊區(qū)域出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，正如圖14夾層結(jié)構(gòu)沖擊后裂紋擴(kuò)展過程所示，沖擊凹坑邊界處為裂紋源，在側(cè)壓載荷下凹坑損傷沿著橫向(垂直于加載方向)擴(kuò)展，逐漸從試樣中心橫向貫穿面板，導(dǎo)致面板與芯材界面脫粘失效[7]，而折彎長度較長的K-cor試樣界面能很好的阻止面板與泡沫的分離，抑制裂紋的擴(kuò)展，從而減緩了K-cor試樣沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度比的下降趨勢(shì)。但折彎長度為7 mm的K-cor試樣由于會(huì)在界面處產(chǎn)生搭接現(xiàn)象，減弱了Z-pin的增強(qiáng)作用，導(dǎo)致其壓縮強(qiáng)度比折彎長度為5 mm的K-cor試樣要低。因此K-cor夾層試樣在制作時(shí)，應(yīng)尤其注意Z-pin的折彎長度不能超過其植入間距，否則會(huì)降低結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。

圖13 不同折彎長度的K-cor試樣壓縮強(qiáng)度和剩余壓縮強(qiáng)度比隨沖擊能量變化Fig.13 Change of compressive strength and residual compressive strength ratio of K-cor sample with different bending length under different impact energy

圖14 夾層結(jié)構(gòu)沖擊后裂紋擴(kuò)展演化Fig.14 Evolution of crack extension in sandwich structure after impact

2.3 Z-pin密度的影響

K-cor夾層結(jié)構(gòu)中芯材密度是指泡沫夾芯的密度和夾芯中Z-pin的密度之和，試樣中泡沫夾芯的密度都為31 kg/m3，而相同植入角度的Z-pin密度只與植入密度和折彎長度有關(guān)，如植入密度為6 mm×6 mm、折彎長度為5 mm的試樣(6×6-5)與植入密度為5 mm×5 mm、折彎長度為3 mm(5×5-3)的試樣中Z-pin密度大約一致，為29 kg/m3，即芯材整體密度為60 kg/m3。

芯材密度的增加可以提高K-cor夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊特性，但當(dāng)密度達(dá)到一定值時(shí)，K-cor夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力將維持不變[17]。而在相同芯材密度下，不同參數(shù)的K-cor夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊能力也會(huì)有所變化，如圖15相同芯材密度、不同Z-pin 植入?yún)?shù)的K-cor夾層結(jié)構(gòu)在不同沖擊能量下的損傷面積所示，在15 J沖擊能量下，植入?yún)?shù)為6×6-5的K-cor試樣損傷面積比植入?yún)?shù)為5×5-3的K-cor試樣減少27.1%，極大地提高了K-cor夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。根據(jù)圖16所示，將K-cor試樣去除泡沫芯材后，在沖擊損傷區(qū)域處面板上并無附著Z-pin，而其他區(qū)域處Z-pin完好無損，即在落錘沖擊時(shí)Z-pin通過折斷、脫粘來吸收大部分的沖擊能量，所以可以列出式(3)來表示低速?zèng)_擊下K-cor試樣中Z-pin吸收的沖擊能量：

Gp=G1+βφpG2

(3)

式中：Gp為Z-pin吸收沖擊能量，J；G1為Z-pin增強(qiáng)試樣界面吸收的能量，J；G2為單根Z-pin失效時(shí)吸收的能量，J；β為Z-pin抑制裂紋擴(kuò)展的有效作用區(qū)域，mm2；φp為Z-pin的體積分?jǐn)?shù)，mm-2。其中βφp為有效Z-pin的個(gè)數(shù)，即K-cor試樣在遭遇落錘沖擊時(shí)起支撐作用的Z-pin。而沖擊頭的直徑為12.5 mm，植入密度為5×5的K-cor試樣與植入密度為6×6的K-cor試樣中有效Z-pin基本相同，因此這兩種參數(shù)下Z-pin失效所吸收的能量相同；另外根據(jù)Z-pin折彎長度的影響規(guī)律可以看出，折彎長度為5 mm的K-cor試樣比折彎長度為3 mm的K-cor試樣能明顯提高結(jié)構(gòu)的界面結(jié)合強(qiáng)度，即G1增大，參數(shù)為6×6-5的K-cor試樣中Z-pin可以吸收更多的沖擊能量，因此該參數(shù)的試樣具有更高的損傷阻抗。

圖15 相同芯材密度的K-cor試樣損傷面積-沖擊能量曲線Fig.15 Curves of damaged area to impact energy of K-cor sample with same core density

圖16 K-cor試樣沖擊損傷的微觀結(jié)構(gòu) Fig.16 Microstructure of K-cor sample after impact damage

另外從圖17(a)在不同沖擊能量下不同植入?yún)?shù)的K-cor試樣壓縮強(qiáng)度變化曲線中可以看出，在沖擊能量達(dá)到7 J之后，植入?yún)?shù)為5×5-3的K-cor試樣與植入?yún)?shù)為6×6-5的K-cor試樣沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度也并不相同，參數(shù)為5×5-3的K-cor試樣比6×6-5的K-cor試樣壓縮強(qiáng)度降低了15%左右。根據(jù)圖17(b)可知，植入?yún)?shù)為5×5-3的K-cor試樣在受到7 J以上的沖擊能量時(shí)，剩余壓縮強(qiáng)度比的下降速率會(huì)比同芯材密度的K-cor試樣要快，這與試樣損傷面積的變化規(guī)律相一致，都是由于在植入密度相差不大的情況下， Z-pin的折彎長度對(duì)K-cor夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能影響更大。因此在相同芯材密度的情況下，依據(jù)外來沖擊物的大小，合理的設(shè)定Z-pin植入密度，盡可能的提高Z-pin的折彎長度，可以有效地提高K-cor夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。

圖17 不同植入?yún)?shù)的K-cor試樣壓縮強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度比隨沖擊能量的變化Fig.17 Change of compressive strength and residual compressive strength ratio of K-cor sample with different implant parameters under different impact energy

3 結(jié) 論

1) K-cor夾層結(jié)構(gòu)的芯材越厚，沖擊損傷面積越大，在沖擊能量20 J的情況下，芯材厚度為12.5 mm的K-cor試樣損傷面積比芯材厚度為5 mm 的K-cor試樣增大了35.8%，但當(dāng)芯材厚度達(dá)到一定值時(shí)，沖擊損傷面積將保持不變；另外K-cor夾層結(jié)構(gòu)的芯材越厚，其沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度比越高，導(dǎo)致芯材厚度為12.5 mm的K-cor試樣在高于7 J能量沖擊后的剩余壓縮強(qiáng)度高于芯材厚度為5 mm的K-cor試樣。

2) K-cor夾層結(jié)構(gòu)中Z-pin的折彎長度越長，則面板與芯材的界面結(jié)合強(qiáng)度越高，導(dǎo)致沖擊損傷面積越小，剩余壓縮強(qiáng)度越高，強(qiáng)度保持率越高，但Z-pin的折彎長度不能超過Z-pin的植入間距，否則會(huì)降低結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。

3) K-cor夾層結(jié)構(gòu)中芯材密度相同的情況下，折彎長度較長的試樣沖擊后損傷面積低于植入密度較大的試樣，從而導(dǎo)致其剩余壓縮強(qiáng)度和強(qiáng)度保持率都優(yōu)越于植入密度較大的試樣，因此合理的設(shè)計(jì)Z-pin植入?yún)?shù)，可以提高K-cor夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。

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Effectoflow-velocityimpactonmechanicalpropertiesofK-corsandwichstructure

SHENYufeng,LIYong*,HUANDajun,WANGXin

CollegeofMaterialScienceandTechnology,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China

K-corsandwichstructureisanewtypeofhigh-performancefoamstructurereinforcedbyZ-pinningtechniques.Byusingdrophammertest,aswellasinfrarednon-destructivetestingandcompression-after-impact(CAI)strengthtest,thispaperstudiestheshockresistanceofK-corstructurewithchangingparametersofZ-pinandcorethicknessunderlowvelocityimpact.Experimentalresultsindicatethatthethickerthecoreis,thelargertheimpactdamageareais,andthehigherthecompressionstrengthretentionis.WhentheincreaseofthebendinglengthofZ-pinisnotmorethantheimplantedspacing,theimpacteddamageareaofK-corstructurecanbesignificantlyreduced,andthecompression-after-impactstrengthcanbeenhanced.Whenthedensityofthecoreisthesame,improvingthebendinglengthofZ-pin,ratherthantheimplanteddensity,canreducethedamageareaandincreasetheratioofcompression-after-impactstrengthtostrengthretentionofthesample.

K-corsandwichstructure;Z-pin;impactdamage;infraredtesting;residualcompressionstrength

2016-01-15；Revised2016-01-28；Accepted2016-05-26；Publishedonline2016-05-311148

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160531.1148.010.html

s：AeronauticalScienceFoundationofChina(2015ZE52049);ProjectsupportedbytheFoundationofGraduateInnovationCenterinNUAA(kfjj20150602)

2016-01-15；退修日期2016-01-28；錄用日期2016-05-26； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2016-05-311148

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航空科學(xué)基金 (2015ZE52049)； 南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地開放基金 (kfjj20150602)

*

.Tel.：025-84892980E-maillyong@nuaa.edu.cn

沈裕峰， 李勇， 還大軍， 等．低速?zèng)_擊對(duì)K-cor夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響J． 航空學(xué)報(bào),2016,37(12):3853-3863.SHENYF,LIY,HUANDJ,etal.Effectoflow-velocityimpactonmechanicalpropertiesofK-corsandwichstructureJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(12):3853-3863.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0166

V258； TB332

A

1000-6893(2016)12-3853-11

沈裕峰男， 碩士研究生。主要研究方向： 復(fù)合材料三維增強(qiáng)。Tel.: 025-84892980E-mail: shenyf@163.com

李勇男， 博士， 教授， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 先進(jìn)復(fù)合材料制造。Tel.: 025-84892980E-mail: lyong@nuaa.edu.cn

*Correspondingauthor.Tel.：025-84892980E-maillyong@nuaa.edu.cn