纖維增強復合材料薄壁件軸向壓縮吸能性研究進展

董帆 ，馬其華 ，2，周天俊

(1.上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620； 2.高性能纖維及制品教育部重點實驗室(B 類)，東華大學，上海 201620)

合理的設計和布置緩沖吸能元件，以最少的材料質(zhì)量投入獲得最大的結構吸能特性是輕量化技術追求的目標。傳統(tǒng)金屬材料多是通過增加結構的厚度與尺寸來改善吸能特性，這與時代發(fā)展趨勢明顯相悖?？紤]燃油經(jīng)濟性、排放污染、結構承載和美觀等方面要求，逐漸引入非金屬材料作為替代品成為目前汽車、航空等領域的研究熱點。

纖維增強復合材料具有比強度高、比吸能強、可設計性好等優(yōu)點[1]。如玻璃纖維和碳纖維復合材料是典型的脆性材料，在發(fā)生斷裂之前通常表現(xiàn)為線彈性，與金屬材料相比，對沖擊損傷很敏感。但是，如果適當?shù)囊龑茐模瑥秃喜牧辖Y構可以以可控的方式吸收大量沖擊能量[1–3]。纖維復合材料薄壁結構中以管件結構最為經(jīng)典，且應用范圍最廣。筆者以纖維增強復合材料薄壁管件結構為分析重點，對改善其吸能特性的方法及其多種影響因素進行綜述，總結了目前學者們在此領域的研究，并對目前研究中的不足進行了總結。

1 薄壁件軸壓吸能特性的評價

薄壁件軸向壓縮載荷下的吸能性主要采用比吸能(SEA)、初始峰值載荷(Fmax)、平均峰值載荷(Fmean)等三個評價指標進行對比分析。

不同于金屬件主要通過塑性變形來耗散能量，復合材料薄壁件主要是通過多種形式的細觀破壞耗散能量，如纖維和基體的斷裂、層間裂紋及開裂、局部屈曲等。在軸向載荷作用下，復合材料常見變形模式有：(1)脆性斷裂：如碳纖維環(huán)氧樹脂復合管軸向壓縮；(2)漸進式疊縮：如纖維／金屬復合材料結構的軸向壓縮，如圖1 所示。纖維增強復合材料的塑性變形以材料脆性斷裂為主，吸能機理是多種細觀尺度的損傷破壞共同作用的結果，而這些細觀破壞機理又是通過宏觀破壞模式的形式表現(xiàn)出來，決定復合材料薄壁件的能量吸收能力。

圖1 復合材料管常見變形模式

從試驗、數(shù)值模擬、理論預測等方面考慮，根據(jù)纖維增強復合材料薄壁件在軸向壓縮下的工況要求，采用MTS 或WDW 等測試系統(tǒng)對試件進行軸向壓縮實驗。以實驗為基礎，建立相應的理論預測與有限元模型，通過實驗與仿真的結果對比，驗證仿真的可行性，并對纖維增強復合材料薄壁件的能量吸收影響因素和影響規(guī)律進行系統(tǒng)總結，為結構的耐撞性設計提供依據(jù)。復合材料吸能特性分析如圖2 所示。

圖2 復合材料吸能特性分析

2 復合材料薄壁管的結構影響

在設計和應用復合材料結構的緩沖吸能元件時，必須滿足兩個條件：一是在碰撞發(fā)生時必須以極大變形吸收大部分撞擊能量。這需要對復合材料結構形式進行合理設計；二是復合材料結構在撞擊條件下有較平穩(wěn)的破壞模式，以可控的方式吸收能量。這需要研究結構是如何影響損傷模式和吸能機理的。

2．1 觸發(fā)結構

纖維增強復合材料薄壁件在軸向撞擊過程中表現(xiàn)為脆性斷裂的特征和較高的能量吸收能力，可作為理想的耐撞性元件。國內(nèi)外學者研究表明，撞擊或準靜態(tài)壓縮在引發(fā)階段的結構破壞形式和載荷特征將在之后的漸進破壞過程中得到保持或某種程度的延續(xù)，從而影響整個結構的緩沖吸能特性。對纖維增強復合材料薄壁件端部進行削弱處理，可引發(fā)漸進破壞過程并降低初始載荷，對實際工程具有重大意義。

目前最常用、最簡單的引發(fā)方式是單倒角引發(fā)。例如，G.L. Farley 和Thornton，Hull 等[4]采用這種削弱引發(fā)方式對試件進行研究，發(fā)現(xiàn)這種引發(fā)機制可以減小初始壓潰載荷，使復合材料可以穩(wěn)態(tài)失效?；诖耍醐[等[5]研究了引發(fā)角對低速沖擊下能量吸收的影響，結果表明試件倒角對能量吸收效果的影響控制在5%以內(nèi)，所以合理的倒角不僅可降低載荷峰值，而且不影響試件能量吸收效果。陳永剛等[6]在圓管的一端開出典型的[15]0，[45]0，[60]0的引發(fā)角。從試驗結果和宏觀失效形貌上，發(fā)現(xiàn)[45]0引發(fā)角不僅峰值載荷適中，而且引發(fā)距離短，比較適合引發(fā)初始失效。借鑒單倒角引發(fā)的經(jīng)驗，研究人員又提出了一種新的引發(fā)方式：雙倒角引發(fā)，即在試件的兩端同時做削弱處理[1]。雙倒角引發(fā)的試件表現(xiàn)出比單倒角更小的初始引發(fā)斜率，更低的初始峰值載荷PCr，以及更長的引發(fā)階段，而且在到達PCr以后載荷保持相對穩(wěn)定，并有可能隨壓縮的繼續(xù)而呈現(xiàn)逐漸增加的態(tài)勢。雙倒角引發(fā)和單倒角引發(fā)試件的比吸能相差不多，但是在延長引發(fā)階段和降低峰值載荷上，雙倒角表現(xiàn)更優(yōu)。

國際學者對纖維增強復合材料對稱元件進行研究[7-8]，發(fā)現(xiàn)復合材料對稱元件依靠彈性變形后的壓潰階段吸收大量能量，同時這種對稱構造還可以有效地引發(fā)破壞，使破壞過程更易于控制?；诖?，宋毅[9]，王璠[5]和S. Palanivelu等[10]提出了一種新穎的花瓣型引發(fā)方式，研究表明花瓣型結構的試件能有效地引發(fā)漸進破壞，極大地降低了初始荷載峰值，試件到達初始峰值的進程大大減緩了，且在達到初始峰值載荷后，應力–位移曲線仍保持較高的平均載荷，顯示出了良好的延續(xù)性，不同觸發(fā)機制如圖3 所示。

圖3 單倒角、雙倒角、花瓣形觸發(fā)機制

觸發(fā)機制可以很好地引發(fā)纖維增強復合材料管件穩(wěn)態(tài)壓潰失效，與比吸能沒有直接的聯(lián)系，但是從載荷一位移曲線分析，前者引發(fā)更穩(wěn)定，后者作為探索復合材料管件穩(wěn)態(tài)壓潰的引發(fā)機制，同樣豐富了復合材料管件穩(wěn)態(tài)壓潰研究。

2．2 誘導結構

復合材料圓柱殼吸能結構的一個重要應用是在車輛碰撞安全領域[11]。為保證車輛的碰撞安全，在發(fā)生事故時，車身應以一定的方式破壞。如圖4 所示。為提高結構的耐撞性能，設置一種合理的誘導機制使碰撞能的耗散盡可能以一種可控制、可預見的方式進行[12]。

圖4 車身前部理想的碰撞特性曲線

很多學者在復合材料薄壁件的基礎上提出了誘變原則，并通過數(shù)值模擬和實驗的方法分析了誘導孔對吸能特性的改善情況。例如E. G. Guynn 和Bradley[12]通過細觀力學去解釋損傷破壞，結果表明開孔復合材料層合板的壓縮破壞是從邊緣開始的通過局部屈曲／剪切破壞，使力穩(wěn)定傳播直到達到臨界大小。C. Soutis 等[13]對其失效特性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)孔附近的應力集中降低了穿孔層合板的臨界壓縮強度。在此基礎上，對復合材料的誘導研究逐漸趨于工程實際。S. R. Hallett 等[14]研究了圓形孔尺寸對復合穿孔管的影響，他們發(fā)現(xiàn)由于孔徑的尺寸，層壓板的厚度，纖維層數(shù)的不同，失效應力和損傷機制存在較大差異，吸能效果也各不相同。Fathollah[15]，Wang Weiqiang 等[16]對纖維增強復合材料管做了軸向壓縮試驗，他們發(fā)現(xiàn)多孔管的失穩(wěn)模式與完整管相似，但多孔管的臨界載荷和剛度卻大大降低了。Liu Qiang等[17]又從穿孔復合管的孔徑尺寸，孔的形狀和孔的分布三方面對其承載能力和吸能特性進行了研究。如圖5 所示?？椎拇笮Ψ逯递d荷無明顯影響；隨著孔形狀的不同，F(xiàn)max和SEA 在一定程度上也發(fā)生微小變化，但是帶有圓孔管件的SEA 小于帶有方形和菱形孔的SEA；單面、相鄰面和相對面三種不同的分布方式，峰值力幾乎保持恒定，比吸能僅與孔的數(shù)量有關與孔的分布無關。

圖5 穿孔管

與完整管的逐漸壓潰不同，在軸向壓縮工況下，誘導孔的存在使復合材料管件結構發(fā)生局部屈曲，降低初始峰值載荷，引導管件結構以可控的方式進行吸能對研究復合材料結構耐撞設計具有重要意義。

2．3 幾何結構

復合材料結構的能量吸收機理與壓潰形態(tài)不同于金屬結構。纖維的斷裂及其擴展方向、基體的開裂以及纖維與基體界面的連接強度是影響復合材料結構能量吸收機理和壓潰形態(tài)的因素[18-19]。由于其各向異性的材料性質(zhì)，精確的幾何結構設計對性能有重要影響。

國內(nèi)外一批學者對復合材料管件的截面形狀進行了研究。王振等[20]探索了不同錐度(α)與層數(shù)(N)的比值(α／N)對比吸能和初始峰值載荷的影響。發(fā)現(xiàn)隨著α／N值的增大，比吸能和峰值載荷均減小；當α／N＞0.5 時，錐管在壓潰過程中不再發(fā)生內(nèi)外分層。張惠鑫等[21]研究了圓錐形復合材料薄壁管的壓潰吸能特性，證實了圓管具有較為穩(wěn)定的失效模式和較好的吸能特性。董銀飛[22]，牟浩蕾等[23]對不同截面形狀的復合管在軸向壓潰載荷下的損傷能量吸收特性進行了數(shù)值分析。如圖6 所示。結果表明，圓管的吸能能力最強，但其壓潰載荷峰值較大，而六邊形管在準靜態(tài)壓潰和沖擊壓潰中均表現(xiàn)出較高的比吸能和較低的載荷，具有較好的綜合吸能性能。綜合評價來說，截面的邊數(shù)對吸能影響較大。對于邊數(shù)較少的四邊形，屈曲多為大面積褶皺，材料利用率低；截面邊數(shù)較多的構件在屈曲過程中呈現(xiàn)逐漸塌陷狀態(tài)，材料利用率較高，吸能效果好。

圖6 不同截面形狀復合材料管準靜態(tài)壓潰

從復合結構設計的角度來看，薄壁管壁厚(t)、直徑(D)及長度等被認為是影響復合材料吸能性最基本的設計參數(shù)，國內(nèi)外學者對此做了大量研究。馮振宇等[24]的研究表明復合材料壁厚的不確定性對吸能特性的影響比內(nèi)徑的影響更為明顯。A. M. S. Elfetorif 等[25]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)增加的t／D可以提高能量吸收的能力。H. Hamada 等[26]研究了t／D比以及t和D的絕對值對復合管能量吸收行為的影響。結果表明，在t逐漸增加到2～3 mm 的臨界范圍內(nèi)SEA 隨之增加，超過此臨界范圍則減小。Ya Libo[27]和WangYifan等[28]在軸壓條件下研究了復合材料管件的壁厚和高度對破碎方式和變形的影響。結果表明所有管子以類似脆性壓裂破碎模式變形，層數(shù)多，長度短會增大峰值載荷和疲勞強度，對吸能性產(chǎn)生積極影響。

對耐撞性的數(shù)值分析已經(jīng)有40 年，為了獲得滿意的的結果，研究人員必須進行多次重復實驗，試驗中不穩(wěn)定和不確定性因素使得有限元分析存在很大程度的經(jīng)驗性和主觀性。受限于商用軟件計算時間和模型復雜性的限制，有限元分析已經(jīng)不適用于一些優(yōu)化設計程序集。因此，研究人員開始采用各種代理模型技術建立不同變量之間線性關系來代替冗長的反復式、周期式分析。張哲繹等[29]在張惠鑫等[30]對圓錐管研究的基礎上，選擇錐形管上端直徑d為設計變量，采用響應面法求解復合材料薄壁件的最優(yōu)吸能。李喆[2]等在H. Hamada 等[26]研究的基礎上以響應表面法為基礎應用序列二次規(guī)劃算法對吸能管管件的壁厚、截面長度、管長進行了優(yōu)化設計，求得在設計范圍內(nèi)的最適配比。張勇[31]，賀兵等[32]為全面地評價薄壁管件在多種影響因素下的耐撞性，在此基礎上以薄壁管件的厚度、半徑及長度為設計變量，依托于此建立出高精度模型，提高優(yōu)化效率的同時，為減少工程成本提供可靠依據(jù)。

2．4 鋪層結構

影響纖維增強復合材料薄壁件變形模式和壓潰載荷水平的因素有很多，其中纖維鋪設角度和纖維鋪設順序?qū)秃喜牧系哪芰课仗匦杂绊戄^大，因此在工程設計中得到了廣泛的重視[33-34]。

纖維鋪設方式的不同導致復合材料的軸向剛度不同，從而產(chǎn)生了破壞模式與破壞機理的差別。G. L. Farley[35]，R.Keal[36]和D. Hull 等[37]研究了玻璃纖維增強聚酯基圓管隨纖維鋪層角度改變對比吸能的影響，發(fā)現(xiàn)，當纖維鋪層角度小于[65]0時，比吸能與鋪層角度成正比，高于[65]0時比吸能與鋪層角度成反比。龔俊杰[38]，羅敏等[33]研究了多個角度的纖維復合材料管在不同軸工況下的損傷影響，發(fā)現(xiàn)隨著鋪設角度θ的增大，纖維方向和圓管軸向之間的夾角增大，圓管軸向剛度下降，初始峰值載荷降低。解江等[39]分析了不同纖維鋪層角度對復合材料薄壁圓管軸向壓潰吸能特性的影響規(guī)律。結果如圖7 所示。當纖維鋪層角度從[15]0增加到[90]0，在準靜態(tài)軸向壓潰下薄壁圓管的比吸能先增大，[75]0之后會有一定程度減小，但比吸能值仍然相對較大。

圖7 不同纖維鋪層角度對比吸能的影響

復合材料管件結構的比吸能隨纖維鋪設角度的變化而改變，這主要是由于不同纖維纏繞角下殼體的軸向和徑向剛度不同，導致管件在軸向沖擊荷載下破壞模式和損傷機理不同。因此針對具有典型破壞過程的[±θ]5(θ=[15]0，[30]0，[45]0，[55]0，[65]0，[75]0)試件的能量吸收能力進行了對比分析，見表1。

表1 典型纖維鋪設角度的失效特點

另外，目前有關纖維鋪設方式對復合材料薄壁管件吸能特性的影響研究主要集中在鋪層角度、成型工藝等方面，對鋪層順序的研究并不全面[40-41]。鋪層順序作為復合材料薄壁管件吸能特性的重要影響因素之一，很多學者對此展開了研究。張鵬飛[34，42]，王天宇等[41]首先對復合材料層合板結構展開了研究，發(fā)現(xiàn)鋪層順序?qū)秃喜牧鲜軌悍謱佑休^大影響，繼而影響分層后的屈曲強度。

解江等[40]在[0／90]3s鋪層方式的基礎上提出另兩種鋪層方式，如圖8 所示。結果表明，不同角度的鋪層交替，導致復合材料的軸向剛度不同，對結構臨界屈曲載荷的影響較大。綜合評價發(fā)現(xiàn)，當00鋪層放在外層時，彎曲剛度增加并且層間剪應力較大，材料主要表現(xiàn)為分層破壞，吸收能量較低；而在內(nèi)層時，材料破壞為橫向剪切模式，吸能較大。說明纖維失效方式在結構宏觀失效中占主導地位更有利于復合材料薄壁管件吸收能量。

圖8 鋪層示意圖

對于復合材料而言，鋪層結構優(yōu)化是設計中不可或缺的關鍵。合理的鋪層順序、鋪層角度及鋪層層數(shù)在同等條件下會提高薄壁件的臨界屈曲載荷，增強吸能能力。吳浩[43]、臧杰[44]、范志瑞等[45]對復合材料的鋪層角度與順序進行了深入研究，尋求滿足可靠性與耐撞性要求的最優(yōu)設計。吳浩考慮材料及載荷的不確定性，通過響應面法和有限元法的結合，驗證了可靠性優(yōu)化方法的有效性。在前人的驗證的基礎上，范志瑞，蘇尚彬以結構屈曲載荷最大為目標，對鋪層層數(shù)和鋪層順序進行優(yōu)化。而臧杰運用改進的遺傳算法，解決遺傳算法過早收斂問題，在滿足復合材料鋪層設計準則的前提下，以強度最大為目標對鋪層角度進行優(yōu)化。在進行纖維增強復合材料薄壁結構吸能性分析時，建立近似代理模型，用代理模型代替了原有的高精度分析模型，在提高仿真優(yōu)化效率的同時，又為復合材料結構吸能性提供保障。

3 復合材料薄壁管的材料影響

纖維增強復合材料管件在撞擊壓縮過程中表現(xiàn)出不同于金屬塑性變形的脆性破壞，失效模式和能量吸收能力纖維／基體材料成分、體積分數(shù)、界面性能等都有密切關系，表現(xiàn)出很強的各項異性和非線性。

3．1 各種纖維的影響

首先是纖維極限應變的影響。通常，纖維的斷裂應變越小，比吸能越大。國內(nèi)外學者們研究發(fā)現(xiàn)碳纖維比玻璃纖維或芳綸纖維增強的復合材料管具有更高的比吸能[46-47]。G. L.Farley[48]認為，某種纖維增強的材料若想獲得最大的吸能能力，基體的斷裂應變必須比纖維的斷裂應變大。

其次是纖維剛度的影響。陳永剛[49]，馬曉靜等[50]對T300 和T700 碳纖維薄壁管的力學性能進行了探究比較。發(fā)現(xiàn)T300 和T700 增強的復合材料的破壞形式明顯不同。G. L. Farley[48]研究了不同纖維材料的復合材料管，發(fā)現(xiàn)吸能特性在兩個強度范圍內(nèi)呈現(xiàn)相反的的趨勢。在75～210 GPa 范圍內(nèi)，試件破壞主要是層束彎曲，其次是斷裂破壞，復合材料吸能能力隨纖維剛度的增加而增強；而剛度在210～525 GPa 范圍內(nèi)時，吸能能力明顯隨剛度增加而減弱。而在在復合材料管的破壞模式相同的情況下，纖維剛度對能量吸收的影響沒有極限應變影響大。

再者是纖維類型的影響。玻璃纖維、碳纖維增強熱固性樹脂復合材料管是脆性的，軸壓破壞模式是碎片型或張開型，通過纖維的斷裂等破壞機理吸收大量能量[51]。最后是纖維密度的影響。密度低的纖維復合材料管會有較高的比吸能。這是因為比吸能定義為破壞單位質(zhì)量的材料耗散的能量，當能量吸收相同時，密度越低比吸能越大。

目前關于纖維體積含量對比吸能的影響還不足，已有研究表明纖維體積含量的增加不一定總使比吸能增大。G. L.Farley[48]的研究表明，當纖維體積含量在40%～70%范圍內(nèi)增加時，由于層間剪切強度降低，碳纖維／環(huán)氧的比吸能反而減小。一般纖維體積超過50%時，能量吸收能力基本保持不變[52]。

3．2 基體與界面的影響

樹脂基復合材料具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能好等優(yōu)點，在復合材料結構中支持和固定纖維材料，傳遞纖維間載荷[53]。以環(huán)氧樹脂為例，具有良好耐水性、耐電性等優(yōu)點，特別是優(yōu)異工藝操作性而被廣泛使用。陳永剛等[49]對比了5288 和5268 環(huán)氧樹脂為基體的兩種復合材料薄壁管的力學性能。鄭志才等[53]研究了不同環(huán)氧樹脂含量對復合材料管軸向壓縮強度的影響，如圖9 所示。從圖中可以看出適當?shù)脑黾訕渲坑欣谔岣吖芗妮S向壓縮強度。李世超等[54]以碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料為研究對象，研究其在超低溫情況下的力學性能，為纖維增強復合材料在特定情況下的應用提供理論依據(jù)。已有研究表明基體的極限應變越大，脆性纖維增強的復合材料能量吸收能力越強，而纖維增強復合材料的能量吸收能力越弱。

圖9 不同樹脂含量的復合材料管的軸向壓縮強度

纖維增強復合材料界面是增強纖維與基體材料之間的橋梁，也是應力傳遞的紐帶。纖維的表面處理提高了纖維與樹脂的粘接強度，而粘接良好的復合材料又主要受基體損傷的控制。國內(nèi)外學者對纖維的表面進行了改善，研究界面強度對復合材料破壞及力學性能的影響[55–57]。研究表明復合材料在強界面情況下發(fā)生脆性破壞，在弱界面情況下發(fā)生韌性破壞，且增強纖維對復合材料性能的增強效果與界面強度有關。

3．3 異質(zhì)材料的影響

纖維增強復合材料依靠其比強度高、比剛度大、比吸能強等優(yōu)點已成為可以替代金屬材料的良好選擇。但其作為脆性材料，韌性較差，各向異性嚴重，失效模式不穩(wěn)定[58-59]。目前將復合材料分別與金屬材料、泡沫夾心材料相結合形成多材料體系管是一個新的研究方向。

纖維／金屬多材料體系管是指金屬與纖維材料通過一定的成型工藝緊密結合在一起的薄壁管體。其比剛度較好，兼顧剛性的同時可塑性也是值得認同，并且在抗腐蝕性實驗中表現(xiàn)突出。近年來，國內(nèi)外研究人員針對復合管以及其它類型復合材料管的吸能特性開展了大量工作，許多研究表明薄壁金屬管上纏繞復合材料(以下簡稱復合管)在軸向壓潰時比金屬管具有更大的比吸能率，并開始在吸能結構設計領域中得到應用[60]。Hwang Woo-Chae[61]和Shi Peilong等[62]研究了具有代表性的Al／碳纖維增強塑料(CFRP)混合構件，發(fā)現(xiàn)Al／CFRP 混合管在準靜態(tài)軸向壓縮載荷下的失效模式呈現(xiàn)出兩種材料疊加的失效模式特征，內(nèi)部依靠金屬管的漸進疊縮、層間和層內(nèi)裂紋拓展吸收能量，外部CFRP 層通過基體和纖維的斷裂、纖維彎曲吸收能量。M. R.Bambach[63]和R. Corin 等[64]研究了復合管的軸向失效行為，發(fā)現(xiàn)在一定的長細比中，可以有效延緩鋼管局部屈曲，并導致混合管的峰值載荷和SEA 值顯著增加。Zhu Guohua 等[65]對比了如圖10 所示的三種混合方式的樣件在準靜態(tài)軸向壓縮實驗條件下的失效形式和吸能特性。實驗結果表明a 樣件的SEA 比b 樣件分別增加了40%和19%，比c 樣件分別增加了45%和29%。由上可知，碳纖維管內(nèi)嵌于金屬管吸能效果最佳。通過文獻看出大多數(shù)研究人員只專注于力學性能研究，很少有研究設計到復合管的優(yōu)化。H. W. Nam[66]和Peng Wenjie 等[67]采用多目標設計對纖維增強金屬材料件的性能進行了探索，為工程實際應用提供依據(jù)。D. S. Lee等[68]在此基礎上設計開發(fā)了穩(wěn)健的多目標優(yōu)化，改善纖維–金屬力學性能，提高承載能力。

圖10 不同混合形式的鋁／CFRP 混合圓管

對于金屬／CFRP 混合管來說，CFRP 結構的不穩(wěn)定局部屈曲失效模式可以通過金屬管的限制轉(zhuǎn)變?yōu)闈u進式失效模式，而金屬管又因為CFRP 結構的增強提升承載能力，從而改善整個混合結構的能量吸收能力。

而纖維增強復合材料夾芯結構，是復合材料的一種特殊形式，是由具有高強度，高模量的蒙皮與低密度夾心結構通過整體一次成型或者膠接二次成型[69]，研究表明充分利用兩者的優(yōu)勢可以實現(xiàn)整個結構的性能提升。

目前纖維增強復合材料夾心結構廣泛應用于汽車碰撞裝置、軍用直升飛機墜落保護裝備和航天器軟著陸配件等領域。根據(jù)使用芯材的種類，可以分為泡沫夾芯結構，蜂窩夾芯結構，巴莎輕木夾芯結構以及異型芯材夾芯結構[70]，如圖11 所示。

圖11 夾心結構中常見芯材

T. Thomas[71]和Wang Lijun 等[72]對蜂窩結構的受力性能進行了研究，結果表明，與由相同材料制成且壁厚相同的整體板相比，蜂窩板的耐撞性更好。基于此，范學明等[73]提出了一種玻璃纖維增強復合材料作為外壁的泡沫填充筒體。黃睿[74]和桂良進等[75]將前人的理論運用到泡沫填充管的軸向壓縮試驗中，發(fā)現(xiàn)與管的高度相比，管的壁厚與直徑對管的吸能性能有顯著影響，總體吸能效果比單純增加厚度明顯的多。對泡沫夾心結構的研究表明，芯材與蒙皮結構的合理結合可構成一種很好的碰撞吸能結構[76]。但是復合材料夾心結構存在太多變量因素，蒙皮的厚度，高度，泡沫的填充密度，效果等都會影響碰撞吸能特性?；诖?，楊揚等[77]采用ANSYS 對蜂窩夾心管內(nèi)外蒙皮及夾心高度進行了優(yōu)化。修英姝等[78]在此基礎上開發(fā)了復雜問題的結構優(yōu)化軟件系統(tǒng)，驗證夾心結構方案設計的可靠性，在減輕質(zhì)量的同時，獲得較好的比吸能。

復合材料結構吸收沖擊能的根本原因是其發(fā)生了細觀尺度的屈曲、損傷、斷裂和破壞。要了解復合材料薄壁件的破壞機理需要對復合材料單層板的破壞作深入研究。而影響復合材料單層板和層合結構的細觀破壞形式的因素有很多，主要有纖維的種類、纖維的體積分數(shù)、基體與界面的性能等。這些因素都與吸能性密切相關。掌握材料與工藝特性，分析復合材料薄壁件的破壞規(guī)律，選擇合適的參數(shù)配比，提高復合材料薄壁件的吸能特性。

4 結語

綜述了近年來纖維增強復合材料薄壁件的漸進破碎吸能行為。在纖維增強復合材料軸向破碎過程中，斷裂破壞是吸收能量的主要因素。而斷裂破壞分為突變型和漸進型兩種，突變型能量吸收較小，漸進型依靠漸進疊縮、層間和層內(nèi)裂紋拓展吸收大量能量。從復合材料的幾何機構、材料、參數(shù)優(yōu)化設計等方面對文獻進行了綜述，可以看出，復合材料結構的能量吸收機理和破壞模式遠比金屬結構件復雜、并有許多問題有待進一步的深入研究。

(1)總結現(xiàn)有文獻中的纖維增強復合材料結構，發(fā)現(xiàn)復合材料多為單向纖維結構，對編織復合材料的性能還沒有充分地認識。纖維材料的紡織結構和不同類型纖維材料的混雜效應以及界面的連接強度都會對結構破壞模式和能量吸收能力產(chǎn)生不可忽視的影響。

(2)與金屬材料相比，復合材料的成本依然較高，特別是高性能復合材料。在目前的復合材料成型工藝中，熱固性樹脂仍是主要采用的成型工藝，這樣就不可避免地造成浪費污染。同時在加工制造過程中，內(nèi)部會存在空隙、裂紋、纖維斷裂等肉眼無法觀察到的缺陷，對實驗結果產(chǎn)生較大影響。

(3)復合材料的各向異性決定了其吸能機理的復雜性，也表明影響其性能的因素有很多，從結構形狀、幾何尺寸到加工工藝等都是不可忽略的。目前最準確的性能研究是實驗，但是面對周期長、代價高、不可重復多次實驗等硬性缺點的存在，我們需要建立不同復合材料的數(shù)據(jù)庫，以便能夠用于數(shù)值模擬。