基于內翻復合材料管的沖擊吸能器特性研究

付 怡， 于哲峰， 陳保興

(1.上海交通大學 航空航天學院，上海 200240； 2.中國商飛上海飛機設計研究院，上海 201210)

現代商用飛機機身防撞結構[1]、車輛防撞梁結構[2]多使用金屬材料，沖擊破壞所產生的能量通常通過塑性變形吸收，受金屬材料本身的限制，吸收的能量與結構重量之比較小。

復合材料具有優(yōu)良的能量吸收和耐撞性能，近年來，引起了一系列行業(yè)的關注，其中包括汽車和航空航天行業(yè)。研究人員對各種類型的管狀結構進行了廣泛的測試，表明復合材料可以提供非常高的比吸能(Specific Energy Absorption，SEA)[3-4]，即復合材料吸收的能量與結構重量之比。近年有復合材料薄壁管截面形狀對碰撞吸能影響的研究，如方形管[5]，圓形管件[6-7]，從能量吸收能力的角度來看，發(fā)現在軸向壓縮時圓形管是最好的構件。因此圓形管件是能量吸收系統(tǒng)中最常用的組件[8]。

復合材料管材的破壞形式對提高材料利用率有很大影響。Johnson等[9-11]研究了管材翻轉的特性，管的翻轉受限于模具半徑。如果模具半徑太小，將使管發(fā)生漸進屈曲，如果半徑大于一些限制值，管將會破裂開。

復合材料已經較為廣泛使用在飛機機身下部防撞結構[12]、直升機防撞座椅[13]、車輛防撞梁等結構上。如前所述，復合材料的優(yōu)勢在于吸收的能量與結構重量之比(稱為比吸能，即SEA)大，因此在吸能相同的情況下，結構重量更輕。在復合材料自身性能不斷提升的同時，近年有研究人員在進行破壞引發(fā)機制方面[14]的研究，從另一個角度來提升復合材料吸能器的吸能性能。Heimbs等[15]提出了一種通過接頭將復合材料切割若干細條，使復合材料產生較為復雜的破壞形式來吸能的方案，但這種方案在實施過程中撕裂條是向套筒外擴張的，向四周展開并環(huán)繞在套周圍，對附近結構會產生較大干擾和影響，而且碳纖維管撕裂破碎后會產生大量碎屑和細小纖維，對周圍環(huán)境也會產生不利的影響。Siromani等[16]也研究復合材料受軸向沖擊時內翻破壞式引發(fā)機制對材料比吸能的影響，但在沖擊過程中管材沿軸向裂開而不是逐漸壓潰，說明破壞引發(fā)機制存在一定不穩(wěn)定性。所以在吸能結構件的設計過程中，仍存在較大的改進空間。

本文提出了一種新型內翻式復合材料吸能器，進行了靜態(tài)試驗和沖擊試驗，表明吸能器在有效減小初始峰值載荷的同時能夠增加材料的比吸能。

1 吸能器設計

1.1 結構組成

本文提出的吸能器結構組成如圖1所示，主要由平壓連接帽、復合材料管以及壓潰帽組成。壓潰帽以及平壓連接帽由金屬材料制成，可通過銷釘與復合材料管連接。

1-耳片；2-平壓連接帽；3-復合材料管；4-銷釘孔；5-壓潰帽圖1 吸能器外形圖以及結構分解圖Fig.1 Outline drawing and exploded picture of absorber

平壓連接帽內端面是平面，與復合材料管端面是面-面接觸，沖擊時該面的復合材料管不易發(fā)生損傷。壓潰帽內部有破壞觸發(fā)倒角和內翻引導曲面。試驗中使用的所有復合材料管皆為市場上成品，在實驗室中進行了切割，端面未作任何特殊處理。圖2展示了復合材料管受到軸向沖擊的復合材料管端面逐漸向內翻轉破壞的動態(tài)過程，當吸能器受到軸向沖擊時,復合材料管將會擠壓壓潰帽，在銷釘作用失效之后，管材沖向壓潰帽底部，然后受到內翻圓弧的作用，管壁開始翻轉并逐漸向管材內腔運動。在這一過程中，復合材料管發(fā)生分層，以及纖維斷裂等形式的破壞，當管材破壞的長度等于剩余的長度時，內翻材料管會接觸到平壓連接帽，吸能器承載能力進一步提升，隨著沖擊過程的進一步進行，復合材料管破壞所產生的碎屑逐漸填滿支撐管內腔，整個過程都不會有碎屑溢出。

1-復合材料管；2-壓潰帽；3-已經內翻破壞的復合材料管；4-觸發(fā)倒角；5-內翻曲面圖2 工作原理示意圖(正在發(fā)生破壞)Fig.2 Working patterns of the energy absorber

平壓帽和壓潰帽兩端與結構連接，在正常狀態(tài)下可以作為結構件使用，承受結構使用載荷，在結構受到撞擊時承受沖擊載荷。當連接帽與結構鉸連接時，吸能器是二力桿結構，不會受到彎矩，因此沖擊過程中復合材料管不易折斷，且復合材料管始終由連接帽固定，整體保持完整，持續(xù)地輸出支反力。

1.2 吸能過程分析

為了指導吸能器性能設計，有必要建立其吸能分析方法。軸向受載時，吸能器位移與力的關系曲線如圖3所示，階段I中，復合材料管發(fā)生損傷，并開始內翻，在載荷達到F1時開始管材發(fā)生分層、基體的碎裂、纖維的斷裂；階段II中，復合材料管持續(xù)向內翻轉壓潰，此階段平均力承載力大小為F2，隨后內翻管材逐漸觸及到平壓帽，復合材料碎屑逐漸填滿管材內腔，在階段III支反力會繼續(xù)上升。階段II中吸能所占比例最大，包括F1對應的破壞能量、復合材料沿曲面的彎曲及對應的摩擦耗能等。

圖3 載荷位移圖Fig.3 Crush force-displacement curve

2 吸能器性能試驗

2.1 吸能器材料

本文中只研究這種吸能器設計原理和分析方法，并未進行復合材料的選材研究，因此復合材料管為市場上的成品，而非定制材料，所以不考慮鋪層方式的優(yōu)化。復合材料管由T300碳纖維單向帶制成，鋪層方式為0°與90°單向帶交替鋪層。測量得到復合材料密度為1.53×103kg/m3,管的外徑為30 mm，壁厚為t，有1.5 mm和2.0 mm兩種，對應的單向帶層數分別為8層和12層。每根管長度為120 mm，用于靜壓和沖擊試驗。為了計算SEA值，每根切割好之后的復合材料管都做了稱重處理。

為了便于進行靜壓和沖擊試驗，連接帽上原本是耳片的位置改為平的端面。連接帽的材料為鋼材，而在應用中為了降低重量，應選用鋁合金等較輕的材料。為了研究翻轉曲面對吸能的影響，制造了三種不同曲率半徑的壓潰帽,觸發(fā)倒角半徑都為3 mm，而內翻曲面曲率半徑R分別為12 mm，7 mm和5 mm。

2.2 靜壓試驗

軸向靜壓試驗通過一臺MTS的電液伺服材料試驗機進行，其最大加載載荷100 kN，試件安裝方式如圖4所示。每次靜壓試驗中加載速率均設置為2 mm/min(有些數據是10 mm/min，2 mm太低),行程設為50 mm以上,保證管材盡可能多的內翻破壞，復合材料碎屑能填滿管材內腔，吸能器承載能力出現上升階段。

圖4 靜壓試驗裝置Fig.4 Static test equipment

2.3 沖擊試驗

吸能器軸向沖擊試驗主要通過圖5中的落錘裝置進行。落錘重量為62.9 kg, 可通過卷揚機拉起至2 m的高度，并通過快速釋放鉤釋放落錘。吸能器底部設有力傳感器，放置于落錘底部的中心位置。在落錘與吸能器撞擊的部位設置有光電傳感器用來測量落錘撞擊前的速度,落錘上設有擋片，當落錘上的擋片劃過光電傳感器時，遮擋產生的電信號會被數據采集器記錄下來，然后通過測量擋片的寬度和電信號的觸發(fā)時間間隔，即可計算出沖擊速度。

圖5 進行沖擊試驗的試驗裝置Fig.5 Impact test equipment

為了計算沖擊過程中的能量吸收，通過沖擊力計算落錘的加速度，進而計算其速度和位移，通過式(1)計算能量的吸收。

(1)

式中：v0為撞擊速度；m為落錘質量；g為重力加速度；v(t)和x(t)則為速度與位移分別是時間t的函數。

各沖擊試驗參數如表1所示，H為沖擊試驗的落錘高度，V為測量得到的落重沖擊開始時的速度。

表1 各個沖擊試驗參數Tab.1 Parameters for impact test

3 試驗結果以及討論

3.1 壓潰形態(tài)

將靜態(tài)壓潰后的復合材料管剖開，如圖6所示，可以觀察到內翻的復合材料管分層非常充分，但產生的材料碎片較少。圖7展示了復合材料管在經過沖擊后，接觸壓潰帽端部破壞后的形態(tài)，可看到復合材料基體的碎裂。沖擊試驗后復合材料的剖面如圖8所示，含有較多不連續(xù)材料碎片，這些碎片壓潰不充分，因此在動態(tài)載荷下吸收的能量偏低。

圖6 靜壓后復合材料管的剖視圖(t=2.0 mm)Fig.6 Cross sectional views of crushed tubes under static test(t=2.0 mm)

圖7 復合材料管接觸壓潰帽端破壞后的形態(tài)(t=1.5 mm)Fig.7 Morphology of composite tube contacting the crushing cap (t=1.5 mm)

圖8 沖擊壓潰后復合材料管的剖視圖(t=1.5 mm)Fig.8 Cross-sectional views of crushed tubes under dynamic condition(t=1.5 mm)

3.2 結果分析

為了對比分析使用這種連接帽對吸能特性的影響，還進行了無連接帽情況下復合材料管的靜壓和沖擊試驗。靜力作用下的位移-載荷對比如圖9所示?？梢?，無壓潰帽的情況下，復合材料管開始壓潰時的載荷較高，隨后降低；而有壓潰帽的情況下，載荷比較平穩(wěn)，而且載荷值較高，意味著吸能較大。在加載后半段隨著碎屑逐漸塞滿復合材料管內腔，承載能力進一步提升。

圖9 復合材料管受靜壓時使用壓潰帽與不使用情況下力與位移關系圖(R=7 mm)Fig.9 Force-displacement under static with cap and without cap(R=7 mm)

觸發(fā)載荷是吸能器的最大允許載荷，為了吸收更多的能量，會盡量讓載荷維持在最大允許載荷。這也是本吸能器的設計目標，在減小初始沖擊載荷的情況下，使平穩(wěn)壓潰階段的峰值力盡可能保持在最大允許載荷，吸收更多沖擊能量，提高復合材料管整體的比吸能。

圖10展示了完整的沖擊力時程，包含了后半段中因碎屑填滿內腔而使支撐力進一步上升的階段。沖擊載荷下壓潰帽對輸出力的影響如圖11所示，為了對比，只顯示了沖擊開始到平穩(wěn)階段的接觸力?？梢娢词褂脡簼⑻淄矔r，即兩端都是平面的受載情況下，在壓潰的開始階段，單獨的復合材料管試驗所得的沖擊載荷很高，這對沖擊加速度的減緩不利，使用了壓潰帽后，初始峰值不會大大超過平穩(wěn)階段的反饋力，而隨后整個壓潰過程的沖擊力也十分平穩(wěn)。

在準靜態(tài)載荷作用下，使用具有不同曲率半徑壓潰帽的試驗結果如圖12所示，各曲線變化趨勢相似，較薄的管空腔不易填滿，所以后段載荷上升不明顯。管壁厚度相同時，發(fā)生初始破壞時的F1值基本相同，這是由于觸發(fā)倒角都相同。而翻轉曲面的曲率導致了F2的不同。材料與曲面貼合時受到的彎曲力矩與曲率成正比，而摩擦力、應變能都與曲率半徑有關，因此相同厚度時吸能效率隨著曲率半徑的變小而顯著提升。但由于破壞后材料的屬性是未知的，彎曲力矩也無法確定，不易進行準確預測。

圖10 沖擊載荷下完整接觸力曲線Fig.10 Force-time under dynamic until the debris fill the tube

(a)R=5 mm (b)R=5 mm圖11 復合材料管受沖擊時使用壓潰帽與不使用情況下力與時間關系圖Fig.11 Force-time under dynamic with cap and without cap

圖12 受靜載時不同內翻半徑對吸能器的影響Fig.12 Force-displacement under static condition using different radius of cap

沖擊試驗得到的時間-載荷曲線如圖13所示，由沖擊載荷計算出落錘的加速度，通過積分得出壓潰位移和接觸力的曲線如圖14所示，進而得到的能量曲線如圖15所示?？梢钥闯?，在受到沖擊作用時，壓潰帽的內翻半徑對能量吸收有較明顯的影響，翻轉半徑越小，能量吸收越多。其中1.5 mm管使用5 mm曲率半徑的壓潰帽吸能值超過了2 mm管使用12 mm曲率半徑壓潰帽的值，這也說明了通過壓潰帽可以進行吸能值的調節(jié)，可應用于有變載荷吸能需求的領域。

(a)t=1.5 mm (b)t=2.0 mm圖13 受沖擊時不同內翻半徑對吸能器的影響Fig.13 Force-time under dynamic condition using different radius of cap

(a)t=1.5 mm (b)t=2.0 mm圖14 受沖擊時不同內翻半徑下吸能器力與位移曲線Fig.14 Force-displacement under dynamic condition using different radius of cap

圖15 受沖擊時不同曲率半徑下吸收能量曲線Fig.15 Energy-time under dynamic condition using different radius of cap

根據試驗中在載荷平穩(wěn)階段壓潰的復合材料管的長度，利用式(2)計算SEA值

(2)

式中：EC為載荷平穩(wěn)階段壓潰的復合材料管所吸收的能量；LC為載荷平穩(wěn)階段壓潰的復合材料管被壓潰破壞的長度；M0為長度為12 cm的復合材料管的重量，即標準試驗件的重量；L0表示標準試驗件的長度，即12 cm。

靜壓試驗的結果如表2所示，沖擊的結果如表3所示?？梢姡o壓下，2 mm厚管使用壓潰帽的SEA值高于管單獨試驗的SEA值，1.5 mm厚的管使用翻轉半徑為12 mm壓潰帽時，SEA值低于管單獨試驗的SEA值；而沖擊載荷下只有使用5 mm翻轉半徑的壓潰帽時，SEA值才高于管單獨試驗的值。

表2 靜壓試驗SEA對比Tab.2 SEA for the static tests J/g

表3 沖擊試驗SEA對比Tab.3 SEA for impact tests J/g

4 結 論

本文提出了一種利用復合材料管內翻破壞式新型抗沖擊吸能器，開展了相關試驗，對能量吸收過程進行了探究，從試驗方面研究了壓潰帽曲率半徑對吸能的影響。研究結果總結如下：

(1)該吸能器有著較高的能量吸收效率，適用于輕型抗沖擊裝置，在有效減小初始沖擊載荷峰值的情形下，仍然能提高比吸能。

(2)該吸能器可作為二力桿用于結構中，因此受載時不易折斷，在壓潰過程中結構保持完整，破壞的復合材料管碎屑全部集中于管材內腔，不會溢出對周邊結構產生影響。當沖擊過程發(fā)展到第二階段時，由于材料碎屑填滿管材內腔，吸能器的承載能力進一步提升。

(3)在靜壓載荷下，初始階段的破壞吸收的能量基本不受翻轉半徑影響，只與觸發(fā)倒角有關，而沿翻轉曲面運動所消耗的能量與曲率半徑有關，隨著曲率半徑的減小，吸能值顯著提高。

(4)吸能器在靜壓條件下比動載荷沖擊下承載能力要高，吸能效率更顯著。觀察復合材料試件壓潰后的形態(tài)可推測，主要原因在于沖擊短時間作用材料產生大量未完全分層及碎裂的材料碎片，降低了材料的利用率。

吸能器中材料破壞過程是非常復雜的，本文只進行了少量試驗研究，如何通過設計參數的優(yōu)化來提高吸能器的吸能表現，并通過準確的理論計算方法進行預測不同內翻半徑下的吸能情況，將是之后工作的重點。