濕熱環(huán)境對HT3/5222復(fù)合材料沖擊損傷影響的數(shù)值模擬

，，

(中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300)

1 前 言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP：Carbon Fiber Reinforced Plastics)因其優(yōu)異的性能，在民用航空領(lǐng)域已獲得廣泛使用[1-3]。但是復(fù)合材料抗沖擊性能較差，飛機(jī)在服役過程中經(jīng)常會(huì)受到不同情況的沖擊損傷，如飛鳥撞擊、冰雹等[4]，因此復(fù)合材料抗沖擊性能的研究一直在復(fù)合材料的研究中占有重要地位[5-7]。考慮到飛機(jī)復(fù)雜的服役環(huán)境，研究已經(jīng)表明高溫、高濕會(huì)影響材料的性能[8-13]。因此復(fù)合材料在濕熱環(huán)境下遭受外物沖擊，其沖擊損傷較一般環(huán)境會(huì)更加嚴(yán)重，影響飛機(jī)安全運(yùn)行。

研究人員對復(fù)合材料抗沖擊性能的研究已取得了一些進(jìn)展：Moura[6]等利用實(shí)驗(yàn)方法，研究了低速?zèng)_擊CFRP復(fù)合材料層合板損傷情況，表明在沖擊作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生分層，分層通常呈紡錘形狀；莊茁[7]等人利用有限元數(shù)值模擬方法，研究了玻璃纖維/環(huán)氧樹脂層合板受沖擊的分層損傷情況。但是關(guān)于復(fù)合材料濕熱老化后沖擊性能變化的文獻(xiàn)較少。

在沖擊過程中，考慮濕熱因素造成的預(yù)損傷，更貼近真實(shí)的損傷過程，目前這方面的研究鮮有報(bào)道。復(fù)合材料吸濕實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長，沖擊性能測試成本較高，通過數(shù)值模擬的方法研究濕熱環(huán)境對復(fù)合材料沖擊損傷的影響能夠更全面、更靈活地分析問題。

本文利用ABAQUS有限元軟件，建立了HT3/5222碳纖維環(huán)氧樹脂單向復(fù)合材料層合板沖擊模型，計(jì)算研究了溫度和吸濕率變化對層合板損傷的影響，并確定了不同條件下，層合板出現(xiàn)初始損傷和穿透的沖擊能量閾值。

2 有限元建模

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

HT3/5222單向復(fù)合材料層合板是以5222環(huán)氧樹脂體系浸漬HT3碳纖維的復(fù)合材料，通過ABAQUS軟件建立2000×2000×2mm層合板幾何模型，鋪層方式為[0]16，每層厚度為0.125mm，厚度遠(yuǎn)小于長度尺寸，可設(shè)置為薄殼(Shell)結(jié)構(gòu)。綜合考慮計(jì)算效率及沖擊損傷分析需要，對層合板進(jìn)行簡化處理，將相鄰兩層單層板合并進(jìn)行分析，鋪層形式變?yōu)閇0]8，每層厚度為0.25mm。層合板密度為1.57g/cm3，不同溫度、吸濕率下，性能參考《中國航空材料手冊》(第2版)第6卷復(fù)合材料性能設(shè)置[14]，手冊中數(shù)值均為實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。

單層板劃分網(wǎng)格采用S4R單元，共1200個(gè)單元，1241個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)格編輯的“偏移”設(shè)定剩余鋪層；同時(shí)考慮沖擊對層間的損傷，通過“偏移”在鋪層之間設(shè)定粘結(jié)層，粘結(jié)層性能設(shè)置為5222環(huán)氧樹脂的性能[14]，劃分網(wǎng)格采用COH3D8單元，每層粘結(jié)層1200個(gè)單元，2482個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖1為層合板幾何模型。

圖1 層合板幾何模型Fig.1 Finite element model of the CFRP laminate

圖2 沖擊圓球幾何模型Fig.2 Finite element model of the sphere

沖擊物為直徑60mm的球體。圖2為沖擊圓球幾何模型，密度為0.905g/cm3，彈性模量為9.35GPa[15]。

2.2 邊界條件、載荷與接觸

層合板四邊固定，約束其所有自由度。圓球除沖擊方向不設(shè)線位移約束，約束其他所有自由度。圓球的沖擊速度、層合板溫度及吸濕率均以預(yù)定義場形式進(jìn)行設(shè)定。定義層合板與圓球之間面面接觸。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 沖擊損傷模式

以20℃、干態(tài)下，沖擊能量為50J為例分析層合板沖擊損傷結(jié)果。圖3給出了沖擊能量為50J時(shí)第一層(沖擊正面)、第五層(中間層)、第八層(沖擊背面)的應(yīng)力云圖。由圖可見，應(yīng)力分布大致呈紡錘形，形狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合[16-17]。對比三層應(yīng)力云圖，內(nèi)層損傷面積較外層更為嚴(yán)重，第一層和第八層損傷面積相似。

3.2 臨界沖擊能量

層合板受不同能量沖擊，損傷過程經(jīng)歷四個(gè)階段：第一階段是無損階段，即沖擊能量不足以對層合板造成沖擊損傷；第二階段是初始損傷，即沖擊能量超過某一臨界值，層合板產(chǎn)生損傷，該研究中稱之為初始損傷能量閾值(EInitial damage)；第三階段是損傷擴(kuò)展階段，即層合板的損傷情況隨著沖擊能量的增加而不斷加深，但層合板仍未穿透；第四階段是穿透階段，即當(dāng)能量大于某一臨界值，層合板被沖透，完全失效，本文稱之為穿透能量閾值(EFailure)。確定復(fù)合材料層合板在不同溫度、吸濕率下的能量閾值，對于材料的工程應(yīng)用具有重要的意義。

圖3 損傷面積 (a) 第一層； (b) 第五層； (c) 第八層Fig.3 Impact damage area of (a) the first layer; (b) the fifth layer; (c) the eighth layer

3.2.1溫度對臨界沖擊能量的影響 通過多次設(shè)定沖擊能量，并計(jì)算沖擊后的應(yīng)力分布，與《中國民航材料手冊》中HT3/5222復(fù)合材料單向?qū)雍习逶诓煌瑴囟取⑽鼭衤氏碌膹?qiáng)度進(jìn)行比較[14]，分別得到20℃、80℃、120℃下初始損傷能量閾值。以20℃為例，圖4(a)為20℃下層合板出現(xiàn)初始損傷的應(yīng)力云圖，沖擊能量為14.7J，損傷出現(xiàn)在第五層，最大應(yīng)力值為66.34MPa，損傷面積約為11.5cm2。通過多次設(shè)定沖擊能量，直至層合板被沖透時(shí)對應(yīng)的沖擊能量為穿透能量閾值，利用此法得到20℃、80℃、120℃下穿透能量閾值。以20℃為例，圖4(b)為層合板被沖透，露出沖擊球體時(shí)的應(yīng)力云圖，沖擊能量為327J。表1列出了不同溫度下的臨界沖擊能量。

圖4 20℃初始損傷，沖透應(yīng)力云圖 (a) 初始損傷應(yīng)力云圖； (b) 沖透應(yīng)力云圖Fig.4 Stress distribution at 20℃ (a) initial damage; (b) failure

Temperature/℃EInitialdamage/JEFailure/J2014 7327 08011 5270 01206 2225 0

從表1可以看出，EInitial damage隨溫度的上升，逐漸減小，由20℃時(shí)的14.7J下降到120℃時(shí)的6.2J，下降了58%。EFailure隨溫度變化表現(xiàn)出相同趨勢，由20℃時(shí)的327J下降到120℃時(shí)的225J，下降了31%。

分別對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到臨界沖擊能量隨溫度變化的式(1)、(2)。

(1)

EFailure(T)=-1.014T+348.395

(2)

3.2.2吸濕率對臨界沖擊能量的影響 利用同樣的方法，計(jì)算得到干態(tài)、吸濕率為1%和1.4%時(shí)初始損傷能量閾值與失效能量閾值。表2為不同吸濕率下的臨界沖擊能量，圖5為臨界沖擊能量隨溫度變化曲線。EInitial damage和EFailure均隨吸濕率的上升，逐漸減小，分別由干態(tài)時(shí)的14.7J和327J下降到5.7J和210J，下降了61%和35%。

表2 不同吸濕率下的臨界沖擊能力

分別對圖5兩條曲線進(jìn)行擬合，得到臨界沖擊能量隨吸濕率變化的式(3)、(4)。

(3)

(4)

3.3 沖擊損傷面積

圖5 臨界沖擊能量隨吸濕率的變化曲線 (a) 初始損傷沖擊能量隨吸濕率的變化曲線； (b) 穿透沖擊能量隨吸濕率的變化曲線Fig.5 Critical impact energy versus rate of moisture absorption (a) impact energy of initial damage; (b) impact energy of failure

Impactenergy/JDamageareaofuppersurface/cm2Damageareaofmiddlesurface/cm2Damageareaoflowersurface/cm220℃80℃120℃20℃80℃120℃20℃80℃120℃206 921 933 925 030 050 01 721 229 480143 7211 5265 6175 0248 7296 9156 2199 4257 7130300 6377 0453 7329 1416 2487 5250 0381 4425 0200633 71087 51406 2665 61190 01490 0625 01154 01440 0

3.3.1溫度對沖擊損傷面積的影響 表3給出溫度分別為20℃、80℃、120℃，沖擊能量分別為20J、80J、130J、200J下，第一、五、八層的損傷面積。溫度由20℃升至120℃，沖擊能量為20J時(shí)，第一層損傷面積由6.9cm2增大至33.9cm2，擴(kuò)大了3.9倍；沖擊能量為200J時(shí)，損傷面積由633.7cm2增大至1406.2cm2，擴(kuò)大了1.2倍。第五層損傷面積最大，當(dāng)溫度由20℃升至120℃，四種沖擊能量下，損傷面積分別擴(kuò)大了1倍、0.7倍、0.5倍、1.2倍。第八層層合板在沖擊能量為20J下，120℃的損傷面積較20℃擴(kuò)大了16.3倍；在沖擊能量為200J下，120℃的損傷面積較20℃擴(kuò)大了1.3倍。由此可見，對于第一層和第八層，溫度的升高對低能沖擊損傷的影響更為嚴(yán)重。

圖6為第一、五、八層在不同溫度下?lián)p傷面積隨沖擊能量的變化曲線。由圖6可見，損傷面積隨沖擊能量的升高而增大，且溫度越高，增幅越大。

圖6 第一、五、八層在不同溫度下的損傷面積隨沖擊能量變化曲線 (a) 第一層； (b) 第五層； (c) 第八層Fig.6 Impact damage area of (a) the first layer; (b)the fifth layer; (c)the eighth layerversus energy at different temperatures

3.3.2吸濕率對沖擊損傷面積的影響 表4給出吸濕率分別為0%(干態(tài))、1%、1.4%，沖擊能量分別為20J、80J、130J、200J下，第一、五、八層的損傷面積。圖7為對應(yīng)曲線。由此可見，與溫度對沖擊損傷面積的影響類似：損傷面積隨沖擊能量的升高而增大，且吸濕率越高，增幅越大；對于第一層和第八層，吸濕率的升高對低能沖擊的影響更為明顯。

表4 不同沖擊能量下吸濕率對沖擊損傷面積的影響

對比溫度對損傷面積的影響，可知高吸濕狀態(tài)較高溫狀態(tài)對層合板沖擊損傷的影響更大。以沖擊能量80J為例，高溫120℃時(shí)第五層損傷面積為248.7cm2，高濕1.4%時(shí)，損傷面積為535.9cm2。

4 結(jié) 論

1.利用ABAQUS有限元軟件對HT3/5222復(fù)合材料層合板沖擊過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果吻合較好：沖擊損傷形狀呈紡錘形；中間層較沖擊正面與沖擊背面損傷更為嚴(yán)重。

2.溫度及吸濕率對復(fù)合材料初始損傷沖擊能量及失效沖擊能量影響顯著。干態(tài)，120℃的初始損傷沖擊能量較常溫下降了58%，失效沖擊能量下降了31%；常溫下，吸濕率1.4%下的初始損傷沖擊能量較干態(tài)下降了61%，失效沖擊能量下降了35%。

3.通過對不同溫度、吸濕率下，不同沖擊能量的損傷面積對比，得到：沖擊損傷面積隨著溫度的升高而增大，且溫度越高，增幅越大；溫度的升高對低能沖擊影響更為嚴(yán)重；吸濕率的影響與溫度類似，但高吸濕較高溫對沖擊損傷的影響更大。

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