玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合板在水中沖擊載荷下的響應(yīng)與破壞研究

項(xiàng)大林,謝志豐,郭 振,肖士利,榮吉利

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076； 2.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院， 北京 100081)

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)，作為一種非金屬材料，具有很高的比強(qiáng)度和比模量，在水雷的制造中得到廣泛應(yīng)用，使得魚雷重量大大降低。在戰(zhàn)場環(huán)境下，這些復(fù)合材料，除了要承受工作狀態(tài)下的各類載荷，還要面臨著水中爆炸及撞擊載荷的巨大威脅。因此，開展研究玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在的爆炸沖擊載荷下的響應(yīng)與破壞，顯得十分必要。

數(shù)值仿真雖然能很好的模擬復(fù)合材料在爆炸載荷下的響應(yīng)行為，但往往缺少驗(yàn)證[1]。一種爆炸激波管裝置[2-4]，通過引爆小當(dāng)量TNT產(chǎn)生水中沖擊波載荷，可實(shí)現(xiàn)對纖維增強(qiáng)材料的水中沖擊加載。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，纖維斷裂、基體開裂以及整體分層破壞與水中沖擊載荷的強(qiáng)度有著密切聯(lián)系[5]。該裝置由于依賴對炸藥的使用，實(shí)驗(yàn)過程存在一定的危險(xiǎn)性。Tran等[6]采用了一種非藥式等效水中爆炸沖擊加載實(shí)驗(yàn)裝置，對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開展了沖擊毀傷實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析。Wei等[7]采用類似方法，研究了GFRP與PVC泡沫構(gòu)成的夾芯板的水中沖擊，指出夾芯板的動態(tài)響應(yīng)過程中應(yīng)變率效應(yīng)十分明顯，而且泡沫芯層能有效改善夾芯板的性能，尤其在后面板的沖量與維持整體剛度方面。

上述工作，豐富了復(fù)合材料動力學(xué)響應(yīng)與毀傷研究，但相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍然較為匱乏。本文利用等效中下爆炸沖擊加載實(shí)驗(yàn)裝置[8-9]，基于3D動態(tài)DIC測量方法[10-12]，針對某GFRP開展了水中沖擊，得到了GFRP板的動力學(xué)響應(yīng)過程與永久破壞模式。

1 等效水中爆炸沖擊加載實(shí)驗(yàn)裝置

等效水中爆炸沖擊加載實(shí)驗(yàn)裝置[8,13]原理示意圖如圖1，裝置的核心部件是一個內(nèi)部為圓錐形空腔的水靶艙。水靶艙側(cè)壁有兩個壓力傳感器安裝口，用于安裝壓力傳感器采集沖擊波壓力。采用一級輕氣炮驅(qū)動并加速飛片，使之撞擊活塞(活塞和飛片均為鋼)，撞擊產(chǎn)生的彈性波傳入水靶艙內(nèi)的水中，形成沖擊波載荷并最終作用在靶板上。某一位置的水中沖擊波壓力峰值pmi與載荷沖量Imi可通過下式計(jì)算獲得：

pmi=V0(D/Di)[sf/(s+f)]

(1)

Imi=pmiθ0

(2)

其中，V0為飛片撞擊速度；D與Di分別為活塞直徑與某位置的腔體直徑；s與f分別為活塞與水的聲阻抗；θ0為沖擊波初始衰減時(shí)間常數(shù)：

θ0=-(2h/c)ln[(s-f)/(s+f)]

(3)

其中，h為活塞厚度，c為活塞中聲速。

圖1 水中沖擊加載裝置原理示意圖

2 靶板樣品

靶板為某高強(qiáng)玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，主要用于制作某水雷外殼殼體，基體為環(huán)氧樹脂，玻璃纖維與樹脂按照4∶6之比制作。制成后，靶板厚度約為3 mm。為了利用DIC方法測量GFRP板的實(shí)時(shí)變形，需要制作散斑場，如圖2所示。

圖2 GFRP板及其表面散斑場

3 3D動態(tài)DIC測量系統(tǒng)

基于DIC方法，結(jié)合等效水中爆炸沖擊加載實(shí)驗(yàn)裝置，搭建的3D動態(tài)DIC測量系統(tǒng)，如圖3所示。兩部高速攝影機(jī)成一定夾角，放置在靶板后側(cè)約1.5 m處，調(diào)節(jié)攝影機(jī)處于水平并垂直于靶板。實(shí)驗(yàn)前采用標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定[3]，設(shè)置相機(jī)拍攝速率為50 000幀/s。在一級輕氣炮出口處安裝的觸發(fā)傳感器，實(shí)現(xiàn)對飛片撞擊速度的測量以及壓電傳感器和高速相機(jī)的同步觸發(fā)。

圖3 3D動態(tài)DIC測量系統(tǒng)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 動態(tài)響應(yīng)

利用CSI公司研發(fā)的VIC-3D數(shù)字圖像處理軟件，處理計(jì)算實(shí)時(shí)散斑場。

圖4是水下沖擊載荷(I0=2.759 kPa·s)作用下GFRP靶板的典型毀傷過程。從圖4中可明顯觀察到，在t=40 μs時(shí)，水靶艙內(nèi)水中沖擊波波陣面達(dá)到GFRP靶板，靶板開始產(chǎn)生變形。在響應(yīng)初期GFRP靶板的變形形態(tài)與簡單鋁板的響應(yīng)基本一致[10]，變形場也是由約束邊界向中心呈現(xiàn)環(huán)形擴(kuò)展的，靶板干表面的離面位移場在受載前期是逐漸增大的，如圖4(a)～(d)。但是隨著時(shí)間的推移，如圖4(d)～(e)所示，最大離面位移從14.3 mm降為13.95 mm之后增加到19.5 mm，然后降至16.2 mm再增至19.55 mm，離面位移場呈現(xiàn)出十分明顯的振蕩現(xiàn)象，這極有可能是GFRP內(nèi)部損傷，即基體層裂、纖維界面脫粘以及纖維斷裂等因素造成的。當(dāng)最大離面位移達(dá)到18.25 mm后，面內(nèi)主應(yīng)變約為0.017 2，GFRP靶板中心位置出現(xiàn)散斑脫落現(xiàn)象，在響應(yīng)的最后階段，如圖4(m)～(q)，在法蘭約束位置，GFRP板被剪斷撕裂，但是沒有明顯的裂紋產(chǎn)生，靶板約束邊界處局部被完全撕裂，之后CFRP靶板開始回彈，裂紋閉合，如圖4(r)～(t)。

圖4 水下沖擊載荷(V0=157.8 m/s，p0=41.94 MPa)作用下GFRP的典型毀傷過程

4.2 破壞模式

圖5是裝配條件下GFRP在邊界處的最終破壞形態(tài)，雖然GFRP靶板在法蘭約束邊界處存在剪裂毀傷情況，但在剪裂終端并沒有明顯的朝向靶板中心區(qū)域擴(kuò)展的裂紋，并且干表面不存在明顯的層裂等損傷特征。

圖6是不同強(qiáng)度沖擊載荷作用下GFRP靶板的毀傷情況，隨著沖擊載荷的增加，材料的損傷分別呈現(xiàn)出：

1) 如圖6(a)與圖6 (b)，在濕表面(受沖擊面)約束邊界附近，GFRP靶板內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重的層裂損傷(顏色較淺部位)，并且載荷越大，層裂區(qū)域越明顯，范圍也越大；

2) 如圖6(c)，在較強(qiáng)沖擊載荷作用下，沿法蘭約束邊界處，濕表面局部被完全剪切斷裂，且存在較小的層裂區(qū)域，四個呈“十”字對稱的螺栓孔處出現(xiàn)裂紋?？梢灶A(yù)見沖擊載荷強(qiáng)度繼續(xù)增大，受載區(qū)域沿約束邊界位置極有可能完全剪裂。

圖6(c)中(c.4)反映出濕表面剪裂處有大量纖維被拔出，這是由于法蘭沿厚度方向剪切了一部分材料后，靶板整體變形，剪裂帶將受到彎矩載荷致使材料被撕裂，這時(shí)纖維將會從基體中被剪斷、拔出。從圖6(c)中(c.6)反映出干表面剪裂終端玻璃纖維的拉伸破壞情況，有一定數(shù)量的纖維被拔出；圖6(c)中(c.7)可以看出，邊界的剪切斷裂處的斷口比較平整，出現(xiàn)了分層的趨勢。

圖5 GFRP靶板在邊界處的毀傷形態(tài)

圖6 不同沖擊載荷作用下，GFRP的毀傷模式

5 結(jié)論

GFRP板在水中沖擊載荷作用下，干表面的離面位移場表現(xiàn)出顯著的振蕩現(xiàn)象，實(shí)際是GFRP板的內(nèi)部損傷，即基體層裂、纖維界面脫粘以及纖維斷裂等損傷的宏觀表現(xiàn)。

在本文3種典型強(qiáng)度的沖擊加載條件下：低強(qiáng)度沖擊時(shí)，GFRP板受載中心的變形宏觀上呈現(xiàn)出線彈性，但約束邊界處的材料內(nèi)部層裂損傷顯著；高強(qiáng)度沖擊時(shí)，GFRP板很容易在約束邊界出現(xiàn)剪裂撕裂破壞，斷口截面平整且出現(xiàn)層裂損傷。