樹脂基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及應(yīng)變率效應(yīng)研究

慕琴琴，燕 群，杭 超，徐 健

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 航空噪聲與動(dòng)強(qiáng)度航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

1 引 言

為了實(shí)現(xiàn)減重、增效、簡化零件結(jié)構(gòu)和提高可靠性等目的，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已是一種必然的趨勢[1]。風(fēng)扇葉片處于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣端，隨空氣一起進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的鳥、冰雹等外物撞擊到高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片，將嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全。因此，通常在裝機(jī)前必須考核風(fēng)扇葉片的抗沖擊性能。

風(fēng)扇葉片外物損傷試驗(yàn)是一項(xiàng)瞬時(shí)、破壞性強(qiáng)、不可逆的高風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)成本較高，不確定因素較多[2]。因此，通常通過數(shù)值仿真分析指導(dǎo)試驗(yàn)，并與試驗(yàn)相結(jié)合對損傷進(jìn)行評估。數(shù)值仿真分析的準(zhǔn)確與否，在很大程度上取決于材料的本構(gòu)關(guān)系[3]。風(fēng)扇葉片外物損傷的數(shù)值研究屬于高速碰撞的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題，具有高度瞬態(tài)非線性、嚴(yán)重破碎性及高應(yīng)變率等特點(diǎn)[4]。發(fā)生外物損傷時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的特性與準(zhǔn)靜態(tài)條件下存在較大的差別，必須考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)[5]。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性及失效模式和金屬結(jié)構(gòu)有較大差異[6]，對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下不同的失效模式，在抗鳥撞分析過程中需要引入適用于復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)失效判據(jù)[7]。因此，通過復(fù)合材料元件級(jí)別的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)獲得相關(guān)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，才能為結(jié)構(gòu)件的抗沖擊性能分析提供準(zhǔn)確的輸入，從而獲得合理的分析結(jié)果。

在測試材料中高應(yīng)變率下的力學(xué)性能方面，目前使用最廣泛也是被公認(rèn)為最有效的方法就是分離式Hopkinson(簡稱SHPB)技術(shù)[8]，包括壓桿和拉桿測試系統(tǒng)，主要針對的是材料在102～104應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)壓縮和拉伸力學(xué)性能。在復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn)方面，目前尚無通用的可供參考[9]。

樹脂基復(fù)合材料作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)新啟用的材料，其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能更是未知。本文參考聚合物基復(fù)合材料壓縮和拉伸測試標(biāo)準(zhǔn)，測試了鋪層樹脂基復(fù)合材料在不同加載應(yīng)變率下的拉伸和壓縮力學(xué)性能，獲得了材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并考慮了應(yīng)變率效應(yīng)對其動(dòng)態(tài)性能及失效模式的影響，為結(jié)構(gòu)件的抗沖擊性能有限元模擬提供了準(zhǔn)確的材料模型參數(shù)。

2 試驗(yàn)原理

2.1 測試?yán)碚摷胺匠?/h3>

Hopkinson桿試驗(yàn)中通常采用的試驗(yàn)件是很短的試樣，入射脈沖的長度往往比波在試樣中傳播單次往返所用的時(shí)間長得多，可以忽略試樣內(nèi)部波的傳播時(shí)間。因此，試樣中的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率可以通過入射、反射和透射脈沖推導(dǎo)出來。圖1所示為SHPB系統(tǒng)加載過程中波的傳導(dǎo)示意圖，圖中，εI、εR和εT分別表示由應(yīng)變片測量到的入射、反射和透射信號(hào)，1、2分別是試樣的兩個(gè)端面，As是試樣的橫截面積，L是試樣的長度，A、E分別是壓桿的橫截面積和彈性模量。

圖1 SHPB系統(tǒng)加載過程中波的傳導(dǎo)示意圖

根據(jù)一維應(yīng)力波理論[10]，可得：

(1)

(2)

(3)

入射波到達(dá)桿與試樣接觸端時(shí)，因?yàn)橛蟹瓷洳óa(chǎn)生，所以既包括了向右傳播的應(yīng)變脈沖εI，又包括向左傳播的反射應(yīng)變脈沖εR，因此界面1上的位移u1可以表示為：

(4)

界面2處的位移u2只與透射脈沖εT有關(guān)：

(5)

這里的應(yīng)變均是壓應(yīng)變。

試驗(yàn)的平均應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(6)

由于試件厚度很小，可引入均勻性假設(shè)。因?yàn)樵嚇邮芰ζ胶?，其兩端面的?yīng)變相等，即：

εI+εR=εT

(7)

(8)

對上式求導(dǎo)，可得應(yīng)變率為：

(9)

另外，試樣兩端的載荷分別為：

F1=EA(εI+εR)，F(xiàn)2=EAεT

(10)

因此，試樣中的應(yīng)力σs為：

(11)

2.2 測試技術(shù)原理

鋪層復(fù)合材料試件的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)在分離式Hopkinson壓桿系統(tǒng)進(jìn)行，其工作原理與上述測試原理一致[11]：撞擊桿在氣壓的推動(dòng)下，以一定的速度撞擊輸入桿，在輸入桿中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力脈沖，脈沖到達(dá)輸入桿與試樣接觸面時(shí)分為兩部分，一部分由于反射波的存在，反射回輸入桿，另一部分為實(shí)際加載波，透射給試樣，對試樣實(shí)施沖擊加載并使其破壞。入射、反射和透射脈沖電壓信號(hào)分別通過粘貼在入射桿、透射桿上的應(yīng)變片測得，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成應(yīng)變信號(hào)，根據(jù)一維應(yīng)力波理論，得到試樣的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率。

鋪層復(fù)合材料試件的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)在分離式Hopkinson拉桿系統(tǒng)進(jìn)行，其裝置包括氣室、子彈、入射桿、透射桿及能量吸收裝置。有別于壓桿裝置的是，拉桿裝置以一個(gè)套管作為子彈，入射桿遠(yuǎn)離試樣一端設(shè)計(jì)為帶凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)，在氣室壓力的作用下，子彈以一定的速度撞擊入射桿凸臺(tái)，入射桿通過產(chǎn)生的一系列拉伸應(yīng)力波向試樣施加動(dòng)態(tài)拉伸載荷。由于在試樣與桿中的波阻抗不同，一部分入射波反射回入射桿中，另一部分經(jīng)過試樣傳入透射桿。同樣，通過測量入射桿和透射桿上相應(yīng)的入射、反射和透射應(yīng)力波信號(hào)，得到試樣的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 試樣的設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備

動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》(ASTM D3039)進(jìn)行，參考之前單向帶試驗(yàn)結(jié)果，測算得到拉伸試樣長度和寬度分別為56mm和14mm，厚度為2.2mm，如圖2所示。

圖2 鋪層復(fù)合材料動(dòng)態(tài)拉伸試件

動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)參照《采用復(fù)合加載壓縮試驗(yàn)夾具測量聚合物基復(fù)合材料層壓板壓縮性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》(ASTM D6641)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用復(fù)合加載壓縮試驗(yàn)夾具，壓縮試樣長度和寬度分別為5.2mm和5.2mm，厚度為5.2mm，如圖3所示。

圖3 鋪層復(fù)合材料動(dòng)態(tài)壓縮試件

為了保證所測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性與對風(fēng)扇葉片外物損傷數(shù)值模擬的可支持性，本試件材料體系、加工工藝與復(fù)合材料風(fēng)扇葉片必須相同。

3.2 試驗(yàn)加載方案設(shè)計(jì)

完成試樣設(shè)計(jì)后，需根據(jù)試樣強(qiáng)度選取合適的加載桿材料及直徑。在評估本次測試材料的拉伸和壓縮強(qiáng)度后，選取材料為高強(qiáng)鋼、直徑為12.7mm的圓柱桿作為加載桿，桿材屈服強(qiáng)度高達(dá)2GPa，可保證加載應(yīng)力波為彈性波。

根據(jù)風(fēng)扇葉片外物損傷達(dá)到的應(yīng)變率水平，本試驗(yàn)設(shè)置的應(yīng)變率包括600/s和1200/s兩種狀態(tài)。另外，對更高應(yīng)變率狀態(tài)的壓縮力學(xué)性能也進(jìn)行了探索。由于復(fù)合材料的各向異性，加載方向設(shè)為纖維緯向和經(jīng)向兩個(gè)方向，即0°和90°方向。

(12)

式中，V是撞擊桿的速度，ls是試樣的長度。如果ε為試驗(yàn)要求的最大名義應(yīng)變，則撞擊桿的長度為：

(13)

式中，Cb是撞擊桿的彈性波速。由于本次試驗(yàn)的測試對象為脆性復(fù)合材料，其失效應(yīng)變極小，選取長度為30cm的撞擊桿即可滿足測試需求。

3.3 試驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)定

本試驗(yàn)使用的試驗(yàn)儀器有：分離式Hopkinson拉桿系統(tǒng)和分離式Hopkinson壓桿系統(tǒng)。使用的測試儀器有：游標(biāo)卡尺、高速攝像機(jī)、多通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、多通道數(shù)據(jù)采集儀、三維全場動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)。以上儀器均經(jīng)鑒定完好且在有效期之內(nèi)。

為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性、有效性，試驗(yàn)前應(yīng)先進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。移去試樣，將入射桿和透射桿直接接觸在一起，輸入一個(gè)一致的應(yīng)力波，通過入射桿和透射桿上的應(yīng)變片對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。由于撞擊桿和兩根壓桿的材料及橫截面積均相同，因此具有相同的波阻抗。當(dāng)撞擊桿以一定的速度撞擊入射桿，桿中會(huì)有壓縮波產(chǎn)生。根據(jù)一維應(yīng)力波理論，其最大應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(14)

式中，v0是撞擊速度，C0是加載桿的彈性波速。然后，根據(jù)加載桿上應(yīng)變片的輸出，就可以完成對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4、圖5分別為壓縮試樣在不同應(yīng)變率下90°、0°方向壓縮測試的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，該樹脂基復(fù)合材料的壓縮失效應(yīng)力和失效應(yīng)變均表現(xiàn)出較為明顯的正應(yīng)變率效應(yīng)，即隨著應(yīng)變率升高，材料壓縮強(qiáng)度和抗壓縮變形能力都有較為明顯的增強(qiáng)；而壓縮模量表現(xiàn)為負(fù)應(yīng)變率效應(yīng)，即應(yīng)變率越高，壓縮模量越低。另外，從不同壓縮方向曲線對比可以看出，緯向抗壓縮破壞能力比經(jīng)向強(qiáng)，這一方面是由于緯向壓縮分層時(shí)，部分Z紗在拉伸載荷作用下發(fā)生斷裂，另一方面，復(fù)合材料中，緯向纖維體積含量比經(jīng)向高。

圖4 不同應(yīng)變率下90°壓縮方向動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 不同應(yīng)變率下0°壓縮方向動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6為兩個(gè)方向典型的壓縮失效形貌，試樣的壓縮失效模式均未表現(xiàn)出加載速率與加載方向的相關(guān)性。

圖6 壓縮試樣失效形貌

4.2 動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7、圖8分別為拉伸試樣在不同應(yīng)變率下90°、0°方向拉伸測試的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，該樹脂基復(fù)合材料在應(yīng)變率600/s～1200/s范圍內(nèi)，拉伸強(qiáng)度、抗拉伸變形能力與拉伸模量幾乎不受應(yīng)變率影響。另外，從不同拉伸方向曲線對比可以看出，緯向抗拉伸破壞能力也比經(jīng)向強(qiáng)一些，這與緯向纖維體積含量較高有一定的關(guān)系。

圖7 不同應(yīng)變率下90°拉伸方向動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖8 不同應(yīng)變率下0°拉伸方向動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖9為兩個(gè)方向的拉伸失效形貌，其斷口形貌呈現(xiàn)出較為典型的“V”形斷口，試樣的拉伸失效模式同樣表現(xiàn)出加載速率與加載方向的無關(guān)性。

圖9 拉伸試樣失效形貌

5 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)的方法研究了樹脂基復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，重點(diǎn)關(guān)注了在不同應(yīng)變率下不同加載方向的材料動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變行為及失效模式，得出的主要結(jié)論如下：

(1)樹脂基復(fù)合材料的壓縮失效應(yīng)力和失效應(yīng)變均表現(xiàn)出較為明顯的正應(yīng)變率效應(yīng)，而壓縮模量表現(xiàn)為負(fù)應(yīng)變率效應(yīng)；在外物損傷應(yīng)變率范圍內(nèi)，拉伸強(qiáng)度、抗拉伸變形能力與拉伸模量幾乎不受應(yīng)變率影響。

(2)樹脂基復(fù)合材料90°方向的拉伸強(qiáng)度低于壓縮強(qiáng)度，0°方向拉伸強(qiáng)度高于壓縮強(qiáng)度。

(3)緯向抗拉伸和抗壓縮破壞能力均比經(jīng)向強(qiáng)，這是由于復(fù)合材料中緯向纖維體積含量較高的緣故。

(4)樹脂基復(fù)合材料試樣的拉伸和壓縮失效模式均表現(xiàn)出加載速率與加載方向無關(guān)性。