復(fù)合材料帽型加筋板沖擊損傷后的彎曲性能

張永強(qiáng)， 劉龍權(quán)， 余 音

（上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院航空航天先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心，上海200240）

0 引 言

復(fù)合材料加筋薄壁板因其優(yōu)良的力學(xué)特性，被越來越多地應(yīng)用到飛行器、船舶與汽車的主要承力結(jié)構(gòu)當(dāng)中［1-3］，在結(jié)構(gòu)承受集中載荷或者局部彎曲時(shí)，筋條可以傳遞來自壁板與邊框的剪切載荷，大大加強(qiáng)了壁板的穩(wěn)定性與極限承載能力。其中，帽型加筋板由于其封閉的截面特性具有良好的扭轉(zhuǎn)剛度，穩(wěn)定性好，成為飛機(jī)、火箭等環(huán)狀結(jié)構(gòu)蒙皮的首選。在服役過程中，彎曲載荷是環(huán)狀結(jié)構(gòu)主要承受的載荷［4］，且容易受到跑道碎石、冰雹等的撞擊［5-6］，因此撞擊后的損傷情況以及受到損傷后的抗彎強(qiáng)度剛度問題是帽型加筋板設(shè)計(jì)的重要影響因素。研究表明，膠層脫粘是帽型加筋板的主要破壞形式［7］，同時(shí)還存在纖維分層、屈曲等問題［8］，且局部失效會(huì)改變結(jié)構(gòu)的傳力路徑，不同破壞模式之間相互影響［9］。這些問題加大了設(shè)計(jì)上的難度，引起國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究探討。

孫晶晶等［10］通過試驗(yàn)和數(shù)值法，研究了復(fù)合材料帽型加筋板承受橫向四點(diǎn)彎曲時(shí)，不同跨距下筋條脫粘的失效機(jī)理，并分析了結(jié)構(gòu)損傷對(duì)傳力路徑的影響。Yetman等［11］指出材料的GIIC、拉伸強(qiáng)度等特定斷裂性能對(duì)評(píng)估帽型加筋板裂紋的萌生與擴(kuò)展具有重要作用。張茹等［12］借助ABAQUS分析了矩形預(yù)制分層的形狀與所在位置對(duì)極限載荷的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)缺陷面積較小時(shí)，極限載荷略有降低，只有超出一定值時(shí)，極限載荷才會(huì)突然下降。Yetman等［13］研究了帽型加筋板在軸向壓縮時(shí)，脫粘長(zhǎng)度與位置對(duì)極限載荷與失效模式的影響。Wiggenraad等［14］研究了受沖擊的I型加筋板的損傷容限，發(fā)現(xiàn)沖擊位置影響結(jié)構(gòu)在彎曲載荷下的分層擴(kuò)展。

相比于帽型加筋板承載后裂紋的萌生與擴(kuò)展［1］，對(duì)含預(yù)制損傷，尤其是沖擊損傷的帽型加筋板承載能力的研究還稍顯不足。另外復(fù)合材料對(duì)沖擊損傷較為敏感，沖擊后力學(xué)性能的研究尤為重要，而復(fù)合材料帽型加筋板沖擊損傷演化及破壞模式十分復(fù)雜，并且對(duì)結(jié)構(gòu)的彎曲性能的影響很大，但是沖擊后層板分層與膠接界面脫黏的長(zhǎng)度與形狀都具有很大的分散性，試驗(yàn)仍然是最為行之有效的研究方法。

本文以含有帽型加強(qiáng)筋的復(fù)合材料為對(duì)象，研究加強(qiáng)筋與壁板粘接處的R區(qū)填充捻子條或者膠膜（無捻子條）兩種情況，設(shè)計(jì)專用夾具實(shí)行沖擊，預(yù)制特定的沖擊損傷，并采用相控陣超聲檢測(cè)儀進(jìn)行無損探傷設(shè)備來檢測(cè)沖擊引起的復(fù)合材料內(nèi)部損傷。設(shè)計(jì)專用的加筋板彎曲試驗(yàn)裝置，進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，探究復(fù)合材料加筋板在受到?jīng)_擊損傷前后的彎曲性能，分析沖擊損傷對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力與破壞模式的影響。同時(shí)探究在加強(qiáng)筋R區(qū)填充捻子條對(duì)結(jié)構(gòu)彎曲性能的優(yōu)缺點(diǎn)。形成了一套研究復(fù)合材料帽型加筋板沖擊后彎曲性能行之有效的方法，為飛行器、船舶、汽車的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件由復(fù)合材料帽型長(zhǎng)桁加平直無曲率蒙皮組成，其外形及關(guān)鍵尺寸如圖1所示，復(fù)合材料單層厚度為0.184 mm，長(zhǎng)桁鋪9層，蒙皮鋪12層，單層板各方向彈性模量及泊松比屬性如下：E11＝154 GPa，E22＝8.5 GPa，G12＝4.2 GPa，G13＝4.2 GPa，G23＝4.2 GPa，μ12＝0.35。其中E11、E22分別表示材料1、2 方向的正彈性模量；G12、G13、G23分別表示3個(gè)方向上的剪切彈性模量；μ12表示平面12內(nèi)的泊松比。

圖1 試驗(yàn)件尺寸（mm）

考慮在蒙皮與帽型加筋粘接處的內(nèi)側(cè)R區(qū)，如圖1所示，填充單向帶捻子條或者填充膠膜（無捻子條）兩種類型，除此之外，兩種加筋板幾何參數(shù)和材料參數(shù)均相同，對(duì)兩種加筋板分別進(jìn)行四點(diǎn)彎曲和沖擊后四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)有4組試驗(yàn)件，根據(jù)構(gòu)型與加載方式編號(hào)如表1所示。

表1 構(gòu)型與加載條件

1.2 低速?zèng)_擊試驗(yàn)

采用Instron CEAST 9350落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)實(shí)施沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)參照ASTM D7136［15］測(cè)量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料對(duì)落錘沖擊事件的損傷阻抗試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)應(yīng)試驗(yàn)件R區(qū)沖擊位置，如圖2（a）所示，通過沖擊試驗(yàn)獲得脫黏損傷長(zhǎng)度12 mm左右，進(jìn)一步用于四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中。沖擊試驗(yàn)件按照如圖2（b）所示夾持，所設(shè)計(jì)專用夾具由木料制成，用于模擬彈性邊界條件，得到接近真實(shí)的損傷模式，并避免產(chǎn)生額外的損傷，保證后續(xù)試驗(yàn)的正常開展。沖擊后試驗(yàn)件的損傷情況由Phasor XS相控陣超聲檢測(cè)儀無損探傷，探測(cè)損傷是否達(dá)到要求。

圖2 沖擊試驗(yàn)示意圖

通過控制落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的沖擊頭下落高度來控制沖擊速度與能量，試驗(yàn)采用16 mm半球形沖頭，名義沖擊能量Ei由沖擊頭質(zhì)量m與最大瞬時(shí)沖擊速度vi決定：

試樣損傷吸收的能量為：

其中：v（t）為t時(shí)刻沖擊頭的速度；δ（t）為t時(shí)刻沖擊頭相對(duì)于最大瞬時(shí)沖擊速度時(shí)的位移。由摸底試驗(yàn)確定脫黏長(zhǎng)度為12 mm對(duì)應(yīng)的沖擊能量：含有捻子條的加筋板的沖擊能量為9 J；不含捻子條的加筋板沖擊能量為10 J。

1.3 彎曲性能測(cè)試

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在CMT5105微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)夾裝在設(shè)計(jì)加工的專用夾具上，如圖3所示。夾具支座留有足夠高度，允許試驗(yàn)件帽頂自由撓曲變形；與試驗(yàn)件直接接觸的壓輥可以滾動(dòng)，從而降低試驗(yàn)件與壓輥接觸位置在大變形發(fā)生滑移時(shí)的摩擦力，而不影響試驗(yàn)結(jié)果；支座與壓輥之間的相對(duì)位置可以微調(diào)，使得試驗(yàn)前所有壓輥均與試驗(yàn)件恰好接觸，保證載荷與邊界左右對(duì)稱。上下夾頭加載點(diǎn)中心距離分別為60、160 mm。其中下夾頭在蒙皮上保持不動(dòng)，上夾頭加載位置對(duì)應(yīng)試驗(yàn)件R區(qū)。采用位移控制加載，速率為2 mm／min，直至試驗(yàn)件完全破壞或者加載位移達(dá)到30 mm。為分析試驗(yàn)件損傷擴(kuò)展方式及破壞特征，每個(gè)試驗(yàn)件粘貼10個(gè)應(yīng)變片，粘貼位置和編號(hào)如圖4 所示，102、104、106 號(hào)應(yīng)變片與101、103、105 號(hào)應(yīng)變片左右對(duì)稱，依次粘貼在筋條側(cè)壁板、筋條與蒙皮膠結(jié)區(qū)域和蒙皮上；108、110號(hào)應(yīng)變片在試件寬度上對(duì)稱；100、101在蒙皮正反兩面正中位置。

在預(yù)試驗(yàn)中，對(duì)比應(yīng)變片106與107、108與110的示值，使應(yīng)變片示值誤差在10%以內(nèi)，調(diào)整試驗(yàn)件位置與姿態(tài)，保證試驗(yàn)件對(duì)中，載荷對(duì)稱。

圖3 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖

圖4 應(yīng)變片位置示意圖（mm）

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)制沖擊損傷

沖擊試驗(yàn)后，應(yīng)用超聲掃描法檢測(cè)沖擊后的試驗(yàn)件筋條與蒙皮之間內(nèi)側(cè)R區(qū)部分脫黏情況。脫黏區(qū)域如圖5所示，損傷形狀并不完全相同，每種試驗(yàn)件脫黏長(zhǎng)度不可避免地也具有一定離散性，但兩組試驗(yàn)件平均沖擊脫黏長(zhǎng)度相等。

圖5 沖擊損傷形狀

2.2 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分析

圖6 四組試驗(yàn)件典型力-位移曲線

表2 各組試驗(yàn)件在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)損傷記錄

（1）力-位移曲線及破壞模式。對(duì)4個(gè)試驗(yàn)組各選取一個(gè)試驗(yàn)件，匯總力-位移曲線如圖6所示，在位移加載過程中試驗(yàn)件損傷情況如表2所示，損傷模式具體如圖7所示。試驗(yàn)初始階段，隨著位移增加，所有試驗(yàn)組載荷均線性增加，當(dāng)發(fā)生破壞損傷時(shí)，試件所承受載荷突然下降，但載荷突降后隨著位移加載繼續(xù)升高。以下是各試驗(yàn)件在受到損傷時(shí)的載荷突降情況：①含有捻子條無損傷的A1組加載位移在11.16、17.23、22.27 mm時(shí)出現(xiàn)3次大幅的載荷突降，對(duì)應(yīng)損傷形式為R區(qū)分層、R區(qū)分層及擴(kuò)展、R區(qū)脫黏及表面劈絲；②含捻子條和沖擊損傷的A2組加載位移在15.88 mm時(shí)R區(qū)損傷，發(fā)生載荷突降；③無捻子條無損傷的B1組在加載位移等于10.77、11.44 mm時(shí)，R區(qū)損傷，載荷發(fā)生小幅突降，而加載位移等于17.34 mm，長(zhǎng)桁與蒙皮膠結(jié)界面外側(cè)脫黏時(shí)，載荷大幅突降；④無捻子條但受到?jīng)_擊損傷的B2組加載位移等于12.22、13.26 mm 時(shí)，R 區(qū)損傷，載荷小幅突降，而加載位移等于22.36 mm，長(zhǎng)桁與蒙皮膠結(jié)界面外側(cè)脫黏時(shí)，載荷大幅突降。

圖7 破壞模式示意圖

由此可知，各組試驗(yàn)件損傷均可以分為3個(gè)階段：R區(qū)分層及擴(kuò)展；R區(qū)表面劈絲；蒙皮與筋條界面膠層脫粘。無論哪一組試驗(yàn)件，初始損傷均為R區(qū)分層，結(jié)合圖6的力-位移曲線，當(dāng)突然發(fā)生損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)一般會(huì)出現(xiàn)一定的掉載：當(dāng)R區(qū)分層、擴(kuò)展或者脫黏時(shí)，含有捻子條的試驗(yàn)組掉載幅度較大；而不含捻子條的試驗(yàn)組只有在外側(cè)脫黏時(shí)才開始大幅掉載。這說明在R區(qū)填充捻子條改變了加筋板結(jié)構(gòu)的傳力路徑，在蒙皮與筋條的膠結(jié)界面上，內(nèi)側(cè)傳載比例相對(duì)升高，因此結(jié)構(gòu)對(duì)R區(qū)損傷更加敏感。但即使膠層開始脫粘后，加筋板仍具有一定的承載能力。

（2）初始剛度與破壞載荷。如圖6所示的力-位移曲線中，選取位移為1～4.5 mm的線性段（大致對(duì)應(yīng)蒙皮應(yīng)變?cè)?.001～0.003之間），計(jì)算試驗(yàn)件的初始剛度，并將每組試驗(yàn)件平均初始剛度用相應(yīng)顏色的虛線標(biāo)出，對(duì)比平均初始剛度與力-位移曲線，在肉眼可見損傷或者明顯掉載之前，位移增加過程中，結(jié)構(gòu)剛度已經(jīng)有輕微的下降，這是由于加載過程中結(jié)構(gòu)已開始出現(xiàn)肉眼不可見的損傷，相應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)有輕微響聲卻沒有明顯損傷。初始剛度逐漸下降在含有沖擊損傷的試驗(yàn)組A2、B2更加明顯。

4組試驗(yàn)件初始剛度從大到小排列為A1、B1、A2、B2：無論是否有沖擊損傷，含有捻子條的試驗(yàn)組明顯較為剛硬，對(duì)比A1與B1組，無損傷條件下，有捻子條的試驗(yàn)組的初始剛度比沒有捻子條的試驗(yàn)組高出11%；對(duì)比A1與A2組、B1與B2組，在受到?jīng)_擊損傷后，有捻子條的試驗(yàn)組初始剛度下降了17%，而沒有捻子條的試驗(yàn)組下降了12%。其中，含有沖擊損傷的試驗(yàn)組初始剛度的離散度略高于無損傷試驗(yàn)組，這是由于脫黏較長(zhǎng)的試驗(yàn)件初始剛度較低。對(duì)于無損試驗(yàn)件取脫黏區(qū)域長(zhǎng)度為0，繪制試驗(yàn)件初始剛度對(duì)于脫黏長(zhǎng)度的散點(diǎn)圖，并進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖8所示。初始剛度與脫粘區(qū)域長(zhǎng)度負(fù)相關(guān)，兩者Pearson相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值超過0.6。對(duì)比可知，有捻子條的試驗(yàn)件初始剛度受脫黏區(qū)域長(zhǎng)度的影響更大。

圖8 初始剛度與脫黏長(zhǎng)度的關(guān)系

試驗(yàn)件的初始破壞載荷與極限載荷如表3所示。

表3 試驗(yàn)件破壞、極限載荷的關(guān)系

無論是否含有損傷，有捻子條的試驗(yàn)組與沒有捻子條的試驗(yàn)組相比，初始破壞載荷較高（對(duì)應(yīng)R區(qū)損傷），而極限載荷較低（對(duì)應(yīng)膠結(jié)界面已有較長(zhǎng)脫黏）。在R區(qū)對(duì)應(yīng)位置受到?jīng)_擊損傷后，有捻子條的試驗(yàn)組初始破壞載荷下降了5.0%，極限載荷降低4.7%；沒有捻子條的試驗(yàn)組初始破壞載荷下降了3.1%，極限載荷降低6.5%。事實(shí)上，在R區(qū)損傷之前，含有捻子條的試驗(yàn)組由于初始剛度更高，R區(qū)承載比例更高，因此在初始破壞位移相差不大的情況下，可以達(dá)到更高的破壞載荷，但同時(shí)對(duì)沖擊損傷更敏感；而在膠結(jié)界面大幅脫黏后，捻子條失效，但R區(qū)所產(chǎn)生的損傷更大，因此極限載荷反而低于不含捻子條的試驗(yàn)組。

（3）應(yīng)變信息。圖9（a）所示的是含有捻子條無損傷的試驗(yàn)組（A1組）典型的應(yīng)變-位移曲線，同時(shí)力-位移曲線由黑色點(diǎn)畫線標(biāo)出。左右對(duì)稱分布的應(yīng)變片應(yīng)變值分別用相同顏色的實(shí)線與虛線表示，在初始階段，應(yīng)變值基本保持相等，且隨著加載位移線性增加。理論上無損試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)、材料、載荷均左右對(duì)稱，兩側(cè)承載響應(yīng)應(yīng)完全相同，但實(shí)際上損傷總是從一側(cè)開始。當(dāng)損傷產(chǎn)生時(shí)，結(jié)構(gòu)承受載荷突然下降，圖9（a）中3次明顯的載荷突降均與某一側(cè)應(yīng)變突降完全對(duì)應(yīng)。同時(shí)損傷還帶來結(jié)構(gòu)傳力路徑的改變，包括蒙皮與筋條之間、左側(cè)與右側(cè)之間：由于筋條與膠結(jié)界面損傷而突然掉載時(shí)，筋條上的應(yīng)變片102或103應(yīng)變值下降幅度更大；掉載后，各個(gè)應(yīng)變片應(yīng)變值繼續(xù)增加，但明顯未受損的一側(cè)應(yīng)變隨加載位移增加的速度更快。這意味著損傷使得帽型長(zhǎng)桁承擔(dān)載荷的比例降低，從而在相同的位移載荷下，結(jié)構(gòu)整體承受載荷降低。

無捻子條的B1組應(yīng)變曲線如圖9（b）所示。

圖9 應(yīng)變-位移曲線

對(duì)于沖擊損傷的試驗(yàn)組，試驗(yàn)件在受到?jīng)_擊后一側(cè)膠結(jié)界面部分脫黏，損傷將帶來蒙皮與筋條之間、左側(cè)與右側(cè)之間結(jié)構(gòu)傳力路徑的改變，如圖10（a）所示是A1與A2組試驗(yàn)件粘貼在長(zhǎng)桁上應(yīng)變片典型的應(yīng)變-載荷曲線的初始線性段，對(duì)比可知，沖后彎試驗(yàn)組左右對(duì)稱分布的應(yīng)變片應(yīng)變值不再相等，且關(guān)于載荷的增長(zhǎng)斜率比無損試驗(yàn)組小。這意味著沖擊損傷使得帽型長(zhǎng)桁承擔(dān)載荷的比例降低。對(duì)比圖10，顯然有捻子條的試驗(yàn)組在受到?jīng)_擊損傷后帽型長(zhǎng)桁降低的承載比例更高，這也解釋了含捻子條試驗(yàn)件初始剛度受脫黏區(qū)域長(zhǎng)度影響更大的原因。

3 結(jié) 論

圖10 應(yīng)變-載荷曲線對(duì)比

對(duì)于內(nèi)側(cè)填充捻子條或者膠膜（無捻子條）兩種復(fù)合材料帽型加筋板，首先分別預(yù)制平均脫黏長(zhǎng)度相同的沖擊損傷，然后進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并與無損傷的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)照，分析試驗(yàn)件的初始剛度、強(qiáng)度、損傷形式以及應(yīng)變，得出以下結(jié)論：

（1）所設(shè)計(jì)沖擊方案及相關(guān)裝置使加筋板得到較為真實(shí)的損傷模式；彎曲試驗(yàn)裝置也達(dá)到了盡量避免摩擦等無關(guān)因素影響的目的。

（2）為使兩種試驗(yàn)件沖擊損傷的脫黏長(zhǎng)度相同，無捻子條的加筋板受到?jīng)_擊能量更高。固定沖擊位置與能量，加筋板在受到?jīng)_擊后脫黏長(zhǎng)度仍具有一定的分散度。加筋板的初始剛度與脫黏長(zhǎng)度負(fù)相關(guān)，而破壞載荷與脫黏長(zhǎng)度關(guān)系不大。

（3）無論是否含有捻子條和沖擊損傷，加筋板在受到四點(diǎn)彎曲后，損傷形式基本相同，主要可以分為三個(gè)階段：R區(qū)分層及擴(kuò)展；R區(qū)表面劈絲；蒙皮與筋條界面膠層脫粘。

（4）無論是否含有捻子條，在受到給定沖擊損傷后，加筋板的抗彎能力均有所下降：其中，抗彎強(qiáng)度下降在5%左右，初始剛度下降幅度超過10%，且沖擊損傷對(duì)含有捻子條的加筋板影響更大。

（5）研究試驗(yàn)所得載荷-位移曲線及試驗(yàn)件破壞模式可以得出：在帽型加強(qiáng)筋R區(qū)填充捻子條改變了加筋板的傳力路徑，膠結(jié)界面內(nèi)側(cè)傳載比例相對(duì)升高，從而提高了加筋板的抗彎剛度和初始破壞載荷，但同時(shí)彎曲性能對(duì)R區(qū)對(duì)應(yīng)位置的沖擊損傷更加敏感。值得注意的是，筋條R區(qū)始終是結(jié)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié)。

·名人名言·

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)理論的源泉，是自然科學(xué)的根本，也是工程技術(shù)的基礎(chǔ)。

——張文裕