不同芯材高度三維夾芯復(fù)合材料抗低速?zèng)_擊響應(yīng)的數(shù)值模擬

羅 超， 曹海建， 黃曉梅

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

三維夾芯復(fù)合材料是新型的三明治夾芯結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的層合材料相比，其具有整體性好、高強(qiáng)高模、質(zhì)輕耐撞等優(yōu)異的性能，在飛機(jī)、高鐵、船舶等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[1]。材料在應(yīng)用過程中或多或少會(huì)受到外部載荷作用，如拉伸、壓縮、彎曲和沖擊載荷等[2]。其中，低速?zèng)_擊載荷是較常見同時(shí)也是安全隱患較大的外部載荷，會(huì)在材料表面和內(nèi)部留下可視或不可視的損傷，使得材料性能下降，甚至?xí)?duì)使用者的生命安全構(gòu)成威脅[3]，因此，對(duì)材料抗低速?zèng)_擊性能的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)這一問題，國內(nèi)外許多專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Lascoup等[4]對(duì)玻璃纖維面板泡沫夾層縫合結(jié)構(gòu)的抗損傷性能進(jìn)行研究，探討分析了初始損傷時(shí)最大載荷、穿透深度、沖擊過程中吸收的總能量和沖擊損傷直徑等參數(shù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)縫合線的存在對(duì)材料抗沖擊性能有著顯著的提升。Vaidya等[5]研究了聚氨酯泡沫填充三維間隔織物復(fù)合材料的低速?zèng)_擊響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)未填充的材料主要破壞模式是芯材屈曲和面板破裂；泡沫填充的試樣主要破壞模式是泡沫芯層破碎與芯柱破壞，其中泡沫填充材料低速?zèng)_擊性能更好。曹海建等[6]選取不同芯層高度的復(fù)合材料進(jìn)行低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn),同時(shí)研究鋁蒙皮對(duì)材料性能的影響發(fā)現(xiàn)，低速?zèng)_擊過程中的初始損傷能量可用來表征材料的破壞程度，鋁蒙皮有利于增強(qiáng)材料的抗沖擊性能。

本文借助ANSYS有限元軟件，重點(diǎn)研究不同芯材高度的材料在5 J能量下的抗低速?zèng)_擊性能，同時(shí)拆解分析材料各組分損傷的程度，細(xì)化探討材料的抗低速?zèng)_擊性能，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果為其優(yōu)化和應(yīng)用提供理論參考。

1 低速?zèng)_擊模擬

1.1 材料簡介

三維夾芯復(fù)合材料是由三維夾芯織物與樹脂基體復(fù)合而成，復(fù)合材料纖維體積含量控制在45%～50%。其中，三維夾芯織物由玻璃纖維通過機(jī)織的方法整體織造成形，由上下面板織物與“8”字形芯材組成，其中上下面板基礎(chǔ)組織為平紋，芯材處的接結(jié)紗線連接上下面板，使其構(gòu)成一個(gè)整體。材料實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 三維夾芯織物及其復(fù)合材料Fig.1 Three-dimensional sandwich fabrics (a) and its composites (b)

三維夾芯織物：由線密度為200 tex的玻璃纖維束織造，織物芯材高度為5、10 mm，芯材間距為 5 mm，南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院提供。

樹脂基體：環(huán)氧樹脂E51、固化劑H023，無錫錢廣化工原料公司提供。

1.2 模型構(gòu)建

為降低模擬計(jì)算工作量，本文對(duì)材料的組成結(jié)構(gòu)部分做出如下假設(shè)：1)纖維均為條干均勻的連續(xù)長絲且截面為跑道型；2)材料復(fù)合成型無瑕疵，樹脂分布均勻。

依據(jù)上述假設(shè)，借助Pro/E軟件繪制材料模型，包括織物模型、樹脂模型以及二者裝配生成復(fù)合材料模型，如圖2所示。

圖2 芯材高度為5 mm材料結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Material structure model with core height of 5 mm. (a) Fabric structure model;(b) Resin structure model;(c) Composite material structural model

1.3 施加載荷

對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置如表1所示，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在模型底面添加固定約束Fixed Support，在模型對(duì)稱面設(shè)置Frictionless support，然后對(duì)沖擊頭施加2 m/s的初速度，方向?yàn)榇怪辈牧仙媳砻尕Q直向下，進(jìn)行模擬計(jì)算[7-8]。

同時(shí)，為提升計(jì)算模擬速度，根據(jù)材料對(duì)稱性， 在有限元軟件中建立材料1/2有限元模型，如圖3所示。

表1 模型材料參數(shù)Tab.1 Model material parameters

圖3 2種芯材高度材料有限元模型Fig.3 Structure model of two core materials height

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 材料整體應(yīng)力

在低速?zèng)_擊載荷模擬下，2種材料的整體模型應(yīng)力云圖如圖4所示。

由圖4可知，受到低速?zèng)_擊時(shí)，芯材高度為 10 mm 材料的整體抗低速?zèng)_擊性能優(yōu)于5 mm材料。對(duì)于上面板，高度為5 mm材料最大應(yīng)力值為 119.49 MPa，而高度為10 mm的材料為205.32 MPa，

圖4 2種芯材高度整體材料應(yīng)力云圖Fig.4 Stress map of lower panel of whole model of two core material height. (a) Top panel of 5 mm; (b) Top panel of 10 mm; (c) Core material of 5 mm; (d) Core material of 10 mm; (e) Lower panel of 5 mm; (f) Lower panel of 10 mm

且芯材高度為10 mm材料的破壞面積大于5 mm的材料；對(duì)于芯材高度為5 mm材料最大應(yīng)力值為179.55 MPa，芯材高度為10 mm的材料為 126.10 MPa，其中芯材彎曲處破壞最嚴(yán)重；對(duì)于下面板， 2種材料下面板都基本完好，有輕微的破壞，芯材高度為5 mm材料最大應(yīng)力值為85.11 MPa，芯材高度為10 mm材料為68.14 MPa。材料模擬應(yīng)力值越大，即越接近材料破壞強(qiáng)度，因此破壞越嚴(yán)重，且應(yīng)力大于90 MPa的部分超出樹脂最大強(qiáng)度，因此，該部分樹脂碎裂，與纖維脫黏。綜上所述，2種材料的上面板沖擊點(diǎn)處都受到嚴(yán)重破壞，且芯材高度為10 mm材料的上面板損傷面積較5 mm材料更大；但是在芯材和下面板處芯材高度為5 mm材料受到?jīng)_擊破壞更加嚴(yán)重，即低速?zèng)_擊載荷對(duì)高度為5 mm材料內(nèi)部及下面板影響更大，因此，其整體抗低速?zèng)_擊性能較差。

同時(shí)在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，分別制備芯材高度為5、10 mm材料的試樣，采用實(shí)驗(yàn)室自制雙軌道落錘式低速?zèng)_擊儀進(jìn)行5 J能量下的低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)。低速?zèng)_擊裝置裝配加速度傳感器和信號(hào)處理系統(tǒng)，每種試樣測(cè)試5次，取平均值。

2種材料在5 J低速?zèng)_擊能量下的破壞形貌如圖5所示?？芍?，2種材料上面板沖擊處均受到破壞，其中芯材高度為5 mm的材料上表面處沖擊破壞直徑為1.86 cm，略小于10 mm的材料；但是其芯材處破壞比較嚴(yán)重，沖擊損傷更深，且對(duì)下面板影響也更大，相對(duì)于芯材高度為10 mm材料上面板損傷較大，芯材破壞對(duì)材料性能影響更加嚴(yán)重，因此，芯材高度為5 mm的材料抗低速?zèng)_擊性能比10 mm的差。

圖5 2種材料低速?zèng)_擊后損傷形貌Fig.5 Surface topography of two kinds of materials after low velocity impact. (a) Upper surface topography of 5 mm; (b) Upper surface topography of 10 mm;(c) Lower surface topography of 5 mm; (d) Lower surface topography of 10 mm; (e) Core material topography of 5 mm; (f) Core material topography of 10 mm；(g) Morphology of local damage of material core；(h) Topography of local surface damage on materials

2種材料的低速?zèng)_擊響應(yīng)如圖6所示?？芍?種芯材高度的材料沖擊載荷的變化趨勢(shì)相同。隨著時(shí)間的增加，沖擊載荷線性增加達(dá)到最大值，隨后迅速降低到某一數(shù)值處，接著繼續(xù)上下波動(dòng)直至最后趨于0。隨著芯材高度的增加，最大沖擊載荷減小。芯材高度為5 mm材料沖擊載荷峰值為 1 280 N，芯材高度為10 mm的材料沖擊載荷峰值為1 100 N，即芯材高度為5 mm的材料損傷更加嚴(yán)重。由此可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果具有較好的一致性。

圖6 5 J能量下2種材料低速?zèng)_擊響應(yīng)Fig.6 Low speed impact response of two materials at 5 J energy

分析原因可能是：材料受到低速?zèng)_擊載荷時(shí)，沖擊頭撞擊到上面板，應(yīng)力波隨即沿著材料橫、縱向迅速向外擴(kuò)散，在應(yīng)力波的作用下，材料通過形變彎曲、樹脂碎裂與纖維斷裂等形式來吸收能量；當(dāng)芯材高度較小時(shí)，芯柱具有更迅速、充分的反應(yīng)能力通過彎曲形變來分散吸收傳遞更多的沖擊能量，從而降低材料撞擊處的沖擊應(yīng)力，因此，芯材彎曲處應(yīng)力值最大；但如果應(yīng)力很大超過了材料的承受范圍，反而導(dǎo)致材料芯材和上面板沖擊處都破壞很嚴(yán)重；當(dāng)材料芯材高度較大時(shí)，芯柱消耗吸收傳遞沖擊能量的反應(yīng)較慢，彎曲形變不明顯，因此，芯柱處應(yīng)力偏小，沖擊點(diǎn)處的沖擊應(yīng)力最大，使得上面板沖擊處破壞面積較大，但芯材破壞較小，所以整體的抗低速?zèng)_擊性能更加優(yōu)異[9-11]。

復(fù)合成型后的材料其內(nèi)部組分無法分離，在受到?jīng)_擊載荷時(shí)內(nèi)部的具體受力情況無法得知，因此，借助于模型分別分析材料各組分應(yīng)力與應(yīng)變值。

2.2 材料各組分應(yīng)力

圖7 2種材料各組分應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud of each component of two materials. (a) Resin model of 5 mm;(b) Resin model of 10 mm; (c) Connection yarn model of 5 mm; (d) Connection yarn model of 10 mm; (e) Warp model of 5 mm; (f) Warp model of 10 mm; (g) Weft model of 5 mm; (h) Weft model of 10 mm

材料各組分的應(yīng)力云圖如圖7所示。材料在受到低速?zèng)_擊時(shí)，纖維織物承擔(dān)主要載荷，而樹脂起次要作用。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，織物模型最大應(yīng)力數(shù)值與位置均與整體模型接近，而樹脂模型則與其差異較大。

通過分析對(duì)比圖7(c)、(d)中的信息可以發(fā)現(xiàn)，材料芯材處受到低速?zèng)_擊載荷更大。2種芯材高度的接結(jié)經(jīng)紗最大應(yīng)力均位于芯材彎曲處，且芯材高度為5 mm的接結(jié)經(jīng)紗最大應(yīng)力值大于10 mm的接結(jié)經(jīng)紗；由圖7(e)～(h)可知，2種材料的經(jīng)緯紗的最大應(yīng)力均位于沖擊點(diǎn)附近，芯材高度為 10 mm的材料的經(jīng)緯紗最大應(yīng)力值均大于芯材高度為5 mm的材料，即其上面板承受的低速?zèng)_擊載荷更大。

圖8 2種材料應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Strain cloud map of the two materials. (a) Overall model of 5 mm; (b) Overall model of 10 mm; (c) Resin model of 5 mm; (d) Resin model of 10 mm; (e) Fabric model of 5 mm; (f) Fabric model of 10 mm

綜合分析3種紗線的應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，位于沖擊點(diǎn)處的經(jīng)緯紗和接結(jié)經(jīng)紗及其下方彎曲處的應(yīng)力值都較大，沿著纖維軸向兩邊擴(kuò)散應(yīng)力逐漸減小，遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)處的部分幾乎沒有應(yīng)力。而這其中，接結(jié)經(jīng)紗遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)處的2處彎曲段依然有較大的應(yīng)力，而此處的經(jīng)紗與緯紗基本沒有應(yīng)力，這說明受到?jīng)_擊作用時(shí)，經(jīng)緯紗只在沖擊點(diǎn)附近起到承載作用，而接結(jié)經(jīng)紗的承載作用更廣更全面。這是因?yàn)榻咏Y(jié)經(jīng)紗是沿著受力方向排列的，加上其獨(dú)特的“8”字型結(jié)構(gòu)，在受到?jīng)_擊時(shí)起到重要的作用[12-15]。

2.3 材料應(yīng)變

材料整體與各組分的應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示?？芍?，樹脂基體是材料形變的主要影響因素，纖維織物是次要影響因素。2種模型中樹脂最大應(yīng)變部位與數(shù)值都與整體應(yīng)變一致，而纖維織物則有所不同。其中芯材高度為5 mm的織物的最大應(yīng)變區(qū)域位于芯材彎曲處，而由于樹脂的最大應(yīng)變位置與其不同，這表明此部分樹脂與纖維之間已經(jīng)脫黏[14，16]。

由上述各組分應(yīng)力、應(yīng)變分析可知，復(fù)合材料受到低速?zèng)_擊時(shí)，樹脂主要是以形變的方式傳遞、消耗沖擊能量，而內(nèi)部纖維則為樹脂提供足夠的強(qiáng)度形變，二者相輔相成，當(dāng)沖擊載荷超過樹脂、纖維的承受范圍，則會(huì)出現(xiàn)樹脂的碎裂、纖維的斷裂、纖維與樹脂的脫黏等現(xiàn)象來消耗吸收沖擊能。

3 結(jié) 論

借助ANSYS有限元軟件，通過對(duì)2種不同芯材高度的復(fù)合材料的抗低速?zèng)_擊性能進(jìn)行模擬，得出以下結(jié)論。

1)從宏觀角度分析，三維夾芯復(fù)合材料抗低速?zèng)_擊性能隨著芯材高度的增加而增加，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

2)從微觀角度分析，材料中的經(jīng)紗、緯紗、結(jié)接經(jīng)紗是承載的主體，樹脂基體起次要作用。

3)在5 J能量沖擊作用下，材料的破壞模式主要是上面板沖擊點(diǎn)處的纖維斷裂、樹脂碎裂，芯材處樹脂碎裂、纖維與樹脂脫黏。

FZXB