玻璃纖維增強(qiáng)乙烯樹脂復(fù)合材料層合板錐形沖頭碰撞試驗(yàn)研究

劉國(guó)倉(cāng)，伍 莉，呂家龍，吳醫(yī)博，劉 均，程遠(yuǎn)勝

(1.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430074；3.洛陽(yáng)艦船材料研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

玻璃纖維增強(qiáng)乙烯樹脂復(fù)合材料層合板錐形沖頭碰撞試驗(yàn)研究

劉國(guó)倉(cāng)1，伍 莉2，呂家龍3，吳醫(yī)博3，劉 均1，程遠(yuǎn)勝1

(1.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430074；3.洛陽(yáng)艦船材料研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

利用自行設(shè)計(jì)的擺錘試驗(yàn)裝置，對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)乙烯樹脂復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)開展了低速碰撞試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)比分析沖擊力、試件背面中心點(diǎn)位移以及采用超聲 C 掃描定損技術(shù)，對(duì)復(fù)合材料層合板的損傷特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。試驗(yàn)表明，在一定碰撞能量下復(fù)合材料層合板受沖擊面出現(xiàn)明顯損傷，同時(shí)伴隨著內(nèi)部大范圍的分層損傷現(xiàn)象的發(fā)生；隨著碰撞能量的增加，層合板受沖擊面損傷程度隨之增加，背沖擊面也由無(wú)明顯損傷到出現(xiàn)基體開裂和纖維斷裂的現(xiàn)象變化；層合板內(nèi)部分層的面積與其吸收的能量有關(guān)。

擺錘試驗(yàn)；復(fù)合材料層合板；超聲 C 掃描；損傷

0 引 言

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比質(zhì)量高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在船舶領(lǐng)域的工程應(yīng)用中逐漸增加，并且可能存在會(huì)與其他結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞的情況，因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)抗碰撞性能是艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者極為關(guān)注的問(wèn)題之一。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-4]對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，目前沖擊試驗(yàn)較多的采用落錘沖擊試驗(yàn)裝置來(lái)完成，此類試驗(yàn)裝置原理簡(jiǎn)單，易操作。為節(jié)約成本還可自行設(shè)計(jì)可操作強(qiáng)的落錘沖擊試驗(yàn)裝置。張曉娟[5]就將自行研制的落錘沖擊試驗(yàn)裝置用于復(fù)合材料低速?zèng)_擊試驗(yàn)，來(lái)研究其損傷阻抗。利用圓周運(yùn)動(dòng)獲取沖擊能量的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)也可完成碰撞沖擊試驗(yàn)，W.Hufenbach[6]和 Ik-Hyeon Chio[7]采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料受到低速?zèng)_擊時(shí)的損傷阻抗。目前對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)研究還大量集中于層合板，這種結(jié)構(gòu)最常見，一般較小且容易獲取[8]。對(duì)于鋪層較多、大尺寸的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研究較少。對(duì)于較多鋪層的復(fù)合材料層合板，王念[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了不同厚度與鋪層順序?qū)?fù)合材料層合板的沖擊性能影響，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于薄層合板鋪層順序?qū)駥雍习宓臎_擊性能影響更大。對(duì)于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，Wisheart[10]對(duì)大型復(fù)合材料盒段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低速落錘沖擊試驗(yàn)，得到了一系列的沖擊參數(shù)。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，對(duì)于小型的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料試件低速?zèng)_擊損傷問(wèn)題研究較多，而對(duì)于工程中大尺寸、鋪層較多的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的碰撞試驗(yàn)研究還不多見。

本文研究對(duì)象為大尺寸的玻璃纖維增強(qiáng)乙烯樹脂復(fù)合材料層合板，為了研究其抗碰撞沖擊性能，設(shè)計(jì)了一套具備大沖擊能量的擺錘式碰撞試驗(yàn)裝置。通過(guò)比較分析試驗(yàn)過(guò)程中的沖擊力、層合板碰撞中心點(diǎn)背面位移以及碰撞后的沖擊損傷范圍和程度，綜合分析該層合板結(jié)構(gòu)的抗碰撞性能。

1 復(fù)合材料層合板碰撞試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)裝置

本文采用鋼質(zhì)錐形沖頭對(duì) 3 件復(fù)合材料層合板模型進(jìn)行了不同能量的碰撞試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?80 層鋪層的玻璃纖維增強(qiáng)乙烯樹脂編織復(fù)合材料層合板，每層纖維均為 0° 與 90° 正交編織，總厚度為 16 mm，材料性能參數(shù)如表 1 所示，模型長(zhǎng)寬尺寸為 450 mm × 435 mm。

表 1 玻璃纖維增強(qiáng)乙烯樹脂復(fù)合材料層合板性能參數(shù)Tab.1 The performance parameters of glass fiber reinforced vinyl resin composite laminates

1.1 擺錘碰撞試驗(yàn)裝置

擺錘試驗(yàn)裝置的原理圖如圖 1（a）所示，通過(guò)提升擺錘至預(yù)定高度后釋放，擺錘在重力作用下獲得沖擊動(dòng)量，撞擊試件完成碰撞試驗(yàn)。

擺錘試驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖 1（b）所示，主要由門型架、擺桿固定軸、擺錘頭、電動(dòng)葫蘆、電磁釋放裝置、軸承、擺桿等部件組成。

擺錘頭的形式如圖 1（c）所示，錘頭由鋼質(zhì)錐形沖頭、加速度傳感器、鋼質(zhì)錘體以及配重質(zhì)量塊組成。錘體重量為 70 kg，通過(guò)配重質(zhì)量塊可調(diào)節(jié)擺錘重量，鋼質(zhì)錐頭直徑為 120 mm。試驗(yàn)前通過(guò)調(diào)節(jié)擺錘頭重量可調(diào)節(jié)碰撞能量。電磁釋放裝置與電動(dòng)葫蘆繩索相連，初始狀態(tài)電磁釋放裝置通過(guò)磁力吸盤將擺桿吸住，當(dāng)通過(guò)電動(dòng)葫蘆將擺錘提升至所需高度時(shí)，對(duì)電磁吸盤進(jìn)行斷電，擺錘在重力作用下開始擺動(dòng)直到撞擊到試件。

1.2 復(fù)合材料層合板試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b方式

碰撞試驗(yàn)中復(fù)合材料層合板采用四邊固支的固定方式。復(fù)合材料層合板通過(guò) 22 個(gè)螺栓固定在夾具上，夾具由槽鋼加工成的上夾具和 2 個(gè)“L”型的鋼板構(gòu)成的下夾具構(gòu)成。然后將整個(gè)模型固定在由 H 型鋼加工成的橫梁上，橫梁由 4 根立柱進(jìn)行支撐固定?，F(xiàn)場(chǎng)圖如圖 2 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況見表 2，在碰撞試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量沖頭沖擊力、試件背面中心點(diǎn)位移，試驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)超聲 C掃描確定試件的損傷區(qū)域，并通過(guò)解剖的方式觀察試件損傷的模式和程度。

表 2 擺錘碰撞試驗(yàn)工況Tab.2 Impact test conditions

2.2 試件損傷情況及分析

2.2.1 試件外觀損傷情況

碰撞試驗(yàn)中，3 個(gè)試件受沖擊面均有明顯損傷，試件 2試件 3 的背沖擊面也發(fā)生了小范圍的損傷，圖 3為 3 個(gè)試件碰撞后外觀損傷情況照片。

圖 3（a）中試件 1 被錐形沖頭碰撞之后受沖擊面表面出現(xiàn)了明顯的損傷，在碰撞中心位置模型表面有些許凹陷，此區(qū)域纖維與基體都發(fā)生一定程度的損傷，同時(shí)以碰撞位置為中心，出現(xiàn)了長(zhǎng)度為 5～7 cm十字型的 4 條裂紋。圖 3（d） 中試件 1 碰撞中心背面局部區(qū)域（如實(shí)線圓圈所圍區(qū)域）發(fā)生模型顏色明顯變淺的現(xiàn)象，這可能是由于模型內(nèi)部出現(xiàn)了損傷所導(dǎo)致。圖 3（b）中試件 2 受沖擊面表面同樣出現(xiàn)明顯損傷，在撞擊中心出現(xiàn)一定程度的凹陷，且在撞擊中心纖維與基體都發(fā)生損傷破壞。與試件 1 不同的是，圍繞撞擊中心出現(xiàn)了長(zhǎng)度為 7～8 cm 三條明顯的裂紋，相比試件 1 的受沖擊面裂紋長(zhǎng)度要長(zhǎng)，且在碰撞背面，基體和纖維也發(fā)生了斷裂，如圖 3（e）中小實(shí)線圓所圍區(qū)域，且在此區(qū)域外圍一定范圍內(nèi)，如圖中大虛線圈圈所圍區(qū)域，同樣發(fā)生了模型顏色變淺的現(xiàn)象。試件 3 破壞形式與試件 1 和試件 2 類似，但是無(wú)論受沖擊面還是背沖擊面，模型破壞程度都比試件 1嚴(yán)重，在受沖擊面以碰撞位置為中心，出現(xiàn)了長(zhǎng)度為8～9 cm 的十字型的 4 條裂紋，背沖擊面同樣發(fā)生了模型顏色變淺的現(xiàn)象。根據(jù) 3 個(gè)試件在錐形沖頭不同能量碰撞下的外觀損傷情況可以看出，復(fù)合材料層合板的損傷形式與碰撞能量有密切聯(lián)系，碰撞能量越大，復(fù)合材料層合板的表面損傷越為嚴(yán)重，且模型背沖擊面由無(wú)明顯損傷到出現(xiàn)明顯損傷變化。

2.2.2 復(fù)合材料層合板內(nèi)部損傷區(qū)域

試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)超聲 C 掃描對(duì)整個(gè)復(fù)合材料層合板進(jìn)行掃描，可確定層合板內(nèi)部的損傷區(qū)域范圍。具體方法：將超聲探頭置于層合板表面，并緩慢移動(dòng)，當(dāng)層合板內(nèi)部無(wú)損傷時(shí)，彩色超聲 C 掃描效果圖顯示為全部為橙紅色如圖 4（a）所示，當(dāng)內(nèi)部有損傷時(shí)，則顯示為藍(lán)白色如圖 4（b）所示；當(dāng)將探頭由無(wú)損傷的區(qū)域向存在損傷的區(qū)域移動(dòng)或者反之，超聲 C掃描效果圖中出現(xiàn)橙紅色與藍(lán)白色共存的現(xiàn)象，如圖4（c）和圖 4（d）所示。根據(jù)圖中橙紅色與藍(lán)白色分界線即可確定存在損傷區(qū)域與無(wú)損傷區(qū)域的臨界點(diǎn)，然后在層合板表面相應(yīng)位置做上標(biāo)記。重復(fù)上面程序，直至完成對(duì)整個(gè)層合板的掃描。最后把標(biāo)記點(diǎn)用線連起來(lái)，這樣就可確定層合板內(nèi)部損傷區(qū)域的范圍，如圖 5 所示，試件上的黑線所圍區(qū)域即為內(nèi)部損傷區(qū)域。

圖 5 給出了經(jīng)超聲 C 掃描確定的層合板內(nèi)部損傷區(qū)域。從圖 5 可看出，3 個(gè)試件在層合板內(nèi)部出現(xiàn)了大面積的損傷，經(jīng)過(guò)測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，試件 2 內(nèi)部損傷面積要大于試件 3 的內(nèi)部損傷面積。這可能是由于試件3 受沖擊面損傷較試件 2 嚴(yán)重，吸收了部分能量所致。

經(jīng)超聲 C 掃描確定了損傷區(qū)域后，3 個(gè)試件在距模型中心處 100 × 100 mm 矩形大小處經(jīng)水刀切割，且試件 1 在碰撞中心處縱橫切割后，細(xì)致的觀測(cè)復(fù)合材料層合板內(nèi)部的損傷情況，發(fā)現(xiàn)模型內(nèi)部發(fā)生的損傷是由于發(fā)生分層現(xiàn)象所導(dǎo)致。圖 6 給出了經(jīng)切割后觀測(cè)的復(fù)合材料層合板的內(nèi)部分層情況。

由圖 6（a）可以看出，試件 1 經(jīng)在碰撞中心處切割后發(fā)現(xiàn)，在截面處發(fā)生了多層的分層現(xiàn)象。可見試件 1 經(jīng)錐頭碰撞后，表面發(fā)生纖維斷裂和基體開裂的同時(shí)伴隨著內(nèi)部分層現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)可以確定超聲C 掃描確定的損傷面積（如圖 6 中黑線所示）是準(zhǔn)確的。圖 6（b）試件 2 中截面處有一個(gè)明顯的分層現(xiàn)象，經(jīng)超聲掃描確定的試件 2 的分層范圍明顯大于試件 1 的分層范圍，并且在試件背沖擊面發(fā)生了纖維斷裂和基體開裂的損傷。由此可見損傷程度明顯大于試件 1 損傷程度。圖 6（e）試件 3 在切割處截面未見分層現(xiàn)象，這是因?yàn)榍懈钐幏秶笥趻呙杷_定的損傷范圍，但經(jīng)前 2 個(gè)試件所確定的分層范圍也可推斷出其內(nèi)部也發(fā)生了分層現(xiàn)象，造成的內(nèi)部損傷。經(jīng)剖視圖可以看出，層合板內(nèi)部的損傷是發(fā)生了較大范圍的分層現(xiàn)象。層合板受沖擊面有明顯損傷的同時(shí)內(nèi)部也發(fā)生了較大范圍的分層現(xiàn)象。

2.3 沖擊力及位移對(duì)比分析

表 3 給出了 3 個(gè)試件的沖頭沖擊力以及試件背面中心點(diǎn)位移的峰值。

表 3 沖頭沖擊力及背面中心點(diǎn)位移峰值Tab.3 The impact force and displacement of the center of the back

圖 7 給出了試件 1～ 試件 3 的沖頭沖擊力隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，沖頭沖擊力的峰值隨沖擊能量的增大而增大，除試件 1 外，試件 2 和試件 3碰撞持續(xù)時(shí)間大致在 15 ms 左右。試件 2 和試件 3 的碰撞能量較大，碰撞持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，造成試件損傷較試件 1 更為嚴(yán)重。3 個(gè)試件的沖頭沖擊力時(shí)程曲線均出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，這可能是因?yàn)榕鲎材芰枯^高，碰撞過(guò)程中模型發(fā)生了損傷及擴(kuò)展使得材料剛度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致沖擊力曲線的波動(dòng)。圖 8 給出了試件 1～試件 3 的背面中心點(diǎn)位移隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，各試件背面中心點(diǎn)位移的峰值隨沖擊能量的增大而增大，同沖擊力時(shí)程曲線，除試件 1 外，試件 2和試件 3 的碰撞持續(xù)時(shí)間大致在 15 ms左右。試件 1 的位移峰值明顯偏小，相比試件 2 和試件 3 碰撞能量較低，損傷程度最低。從而位移峰值偏小。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）設(shè)計(jì)了一套具備大沖擊能量的擺錘沖擊試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)表明擺錘裝置設(shè)計(jì)以及相應(yīng)工裝件的設(shè)計(jì)成功，可以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的碰撞試驗(yàn)。

2）在錐形沖頭的沖擊下，復(fù)合材料層合板的沖擊損傷形式、區(qū)域及程度與碰撞能量有著密切的聯(lián)系。在一定碰撞能量下復(fù)合材料層合板碰撞面出現(xiàn)明顯損傷，同時(shí)伴隨著內(nèi)部大范圍的分層損傷現(xiàn)象的發(fā)生；隨著碰撞能量的增加，層合板碰撞面損傷程度隨之增加，碰撞背面也由無(wú)明顯損傷到出現(xiàn)基體開裂和纖維斷裂的現(xiàn)象變化；層合板表面損傷會(huì)吸收部分能量，影響內(nèi)部分層面積大小。

3）隨著碰撞能量增加，復(fù)合材料層合板的碰撞中心的位移的峰值以及沖頭沖擊力均會(huì)逐漸增加。

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Experimental study on impact damage of glass fiber reinforced vinyl resin composite laminates

LIU Guo-cang1, WU Li2, LV Jia-long3, WU Yi-bo3, LIU Jun1, CHENG Yuan-sheng1
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430074, China; 3.Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471000, China)

The low speed impact test of glass fiber reinforced vinyl resin composite laminated plate is studied by using a self-designed pendulum test device.Through the comparative analysis of the impact force, the back center displacement of the specimen and the use of ultrasonic C scanning technology, the damage characteristics of composite laminates are analyzed in detail.The impact surface of composite laminates with a certain impact is obviously damaged, and it is accompanied by a large range of delamination damage in the interior.With the increase of the collision energy, the damage degree of the laminate is increased, and the back surface is changed by the phenomenon of matrix cracking and fiber breakage.And the area of the delamination of the laminate is related to the energy absorbed by the laminate.

pendulum test；composite laminate；ultrasonic scanning；damage

U668.3+4

：A

1672-7619(2017)01-0063-05doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.013

2016-03-24；

: 2016-05-26

劉國(guó)倉(cāng)(1990-)，男，碩士研究生，主要從事船舶結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)分析研究。