含沖擊損傷復(fù)合材料壁板壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)研究

趙 鑫，盧興民，田阿利

(1.中國(guó)商飛項(xiàng)目中心，上海 210012；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引言

復(fù)合材料具有輕質(zhì)、耐疲勞及良好的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶等交通領(lǐng)域[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，盡管其強(qiáng)度和比剛度都遠(yuǎn)超一般的鋁合金，然而在受到各種物體碰撞時(shí)，界面的損傷同樣會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的顯著下降，從而降低了結(jié)構(gòu)化復(fù)合材料的安全性[2]。鑒于該工作的理論和實(shí)踐意義，本文關(guān)注低速高強(qiáng)度沖擊損傷下復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度研究。

對(duì)于復(fù)合材料沖擊后的壓縮強(qiáng)度問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已采用試驗(yàn)進(jìn)行了大量的研究，根據(jù)產(chǎn)生損傷的沖擊能量主要分為低速?zèng)_擊和高速?zèng)_擊兩類。在低速?zèng)_擊情況下，針對(duì)不同鋪層方式下復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，孫子恒等[3]研究了其低速?zèng)_擊后的剩余強(qiáng)度，并分析了沖擊后的壓縮強(qiáng)度和失效形式。Da Liu 等[4]通過低速?zèng)_擊試驗(yàn)的方式，開展復(fù)合材料加筋板損傷后壓縮剩余強(qiáng)度研究，分析了沖擊損傷位置對(duì)壓縮剩余強(qiáng)度的影響。對(duì)于溫度對(duì)含損傷復(fù)合材料的剩余壓縮強(qiáng)度的影響，Mathilde 等[5]對(duì)Nomex 蜂窩夾芯碳/環(huán)氧復(fù)合夾層板室溫下進(jìn)行低速?zèng)_擊，得出溫度對(duì)含沖擊損傷復(fù)合材料板的壓縮剩余強(qiáng)度影響并不明顯。除此之外，高速?zèng)_擊下的損傷研究也是一個(gè)重要課題。Luv Verma 等[6]研究了偽彈性形狀記憶合金嵌入玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料層合板的高速?zèng)_擊損傷及剩余壓縮強(qiáng)度。

限于試驗(yàn)高成本和不可重復(fù)性，低消耗高效率的仿真方法已受到廣泛關(guān)注。仿真的主要目的是建立復(fù)合材料沖擊損傷后的剩余強(qiáng)度預(yù)報(bào)模型。黃驍?shù)萚7]提出了一種基于沖擊能量預(yù)測(cè)復(fù)合材料層板受沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式。盛鳴劍等[8]在分析CCF300/5428 復(fù)合材料層合板遭受不同能量等級(jí)低速?zèng)_擊后壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低速?zèng)_擊后壓縮強(qiáng)度估算模型；文獻(xiàn)[9–10]對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)沖擊后壓縮強(qiáng)度采用數(shù)值仿真和反方法提出了預(yù)報(bào)模型。

雖然復(fù)合材料鋪層方式對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響顯著[11–14]，但目前對(duì)鋪層方式等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特性對(duì)沖擊損傷后壓縮剩余強(qiáng)度的影響研究很少。同時(shí)，復(fù)合材料壁板的壓縮破壞計(jì)算及其機(jī)械維修性能，國(guó)內(nèi)尚沒有完整的體系或數(shù)據(jù)支撐，因此開展復(fù)合材料沖擊損傷后結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度等方面的試驗(yàn)、仿真研究，對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)安全結(jié)構(gòu)評(píng)估至關(guān)重要。

本文以復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過實(shí)尺寸模型壓縮試驗(yàn)研究方法，開展沖擊損傷后結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度分析，研究沖擊損傷、鋪層方式等對(duì)復(fù)合材料壁板剩余壓縮強(qiáng)度的影響。

1 低速?zèng)_擊損傷

1.1 分析部位及構(gòu)型

目標(biāo)壁板均為層合板復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。復(fù)合材料蒙皮用預(yù)浸料與熱壓罐成型工藝制造，通過圖1 中的桁條進(jìn)行加強(qiáng)，將主要承受壓縮載荷和剪切載荷，并要求滿足沖擊載荷的設(shè)計(jì)規(guī)范。試件的鋪層方式如表1 所示。

圖1 復(fù)合材料壁板示意圖Fig.1 Sketch map of composite material panels

表1 試件鋪層方式Tab.1 Layer ways of test samples

1.2 落錘沖擊試驗(yàn)方案

在4 個(gè)不同位置同時(shí)測(cè)量縱向應(yīng)變（圖2 試件兩表面2 個(gè)背靠背位置），來(lái)保證施加純壓縮載荷，并檢測(cè)彎曲或屈曲。在任一試件上，對(duì)所有的應(yīng)變測(cè)量，均采用相同型號(hào)的應(yīng)變傳感器。應(yīng)變片與試件的連接不應(yīng)對(duì)試件表面產(chǎn)生損傷。

圖2 試驗(yàn)測(cè)試貼片示意圖Fig.2 Sketch map of test paster

采用CLC-A 落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，選用16 mm 半徑的半球形落錘沖頭，沖擊能量為6.7 J/mm 對(duì)試件進(jìn)行低速?zèng)_擊。

1.3 落錘沖擊損傷

落錘沖擊試驗(yàn)完成后，采用UPK-T36 超聲波水浸式超聲C 掃描系統(tǒng)對(duì)落錘沖擊后的試件進(jìn)行損傷檢測(cè)，沖擊損傷如圖3 所示。

圖3 試件損傷C 掃結(jié)果Fig.3 Result of damage C-Mode SAM

利用游標(biāo)卡尺對(duì)試件凹坑深度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)沖擊損傷面積進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。按不同鋪層方式進(jìn)行分組，每一種鋪層方式共包含6 個(gè)試件，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)后取6 次試驗(yàn)平均值作為每組試驗(yàn)的結(jié)果。不同鋪層方式的復(fù)合材料試件沖擊損傷結(jié)果如表2 所示，其中D 為凹坑深度，mm；S 為損傷面積，mm2。從表中可知，A 類鋪層方式的復(fù)合材料壁板沖擊損傷深度和面積均較小。

表2 沖擊損傷深度與面積（單位：mm）Tab.2 Depth &area of impact damage (unit: mm)

2 損傷后剩余壓縮強(qiáng)度分析

試件裝夾按照 ASTM D7137 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，如圖4 所示。壓縮加載試驗(yàn)前，將試件安裝在壓縮剩余強(qiáng)度夾具上，使試件的加載端與夾具的上下兩半端頭平齊，保證損傷位置處于夾具的中軸線上。用連接到角板的側(cè)板和連接到底板的滑動(dòng)板來(lái)支持試驗(yàn)件，通過調(diào)節(jié)各個(gè)緊固螺栓的縮進(jìn)來(lái)保證對(duì)中要求。確認(rèn)對(duì)中后，擰緊所有側(cè)板和頂板支持，防止試驗(yàn)件發(fā)生失穩(wěn)破壞，并開始預(yù)加載和正式試驗(yàn)。試驗(yàn)采用位移加載，壓縮加載速率為0.5 mm/min，所有試驗(yàn)均以峰值下降30%為標(biāo)準(zhǔn)終止試驗(yàn)。

圖4 壓縮試驗(yàn)件加載圖Fig.4 Loading map of compressing test

表3 給出了3 種鋪層方式的試件，不含沖擊損傷和包含沖擊損傷的壓縮剩余強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，沖擊損傷的存在，造成復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)的承載力和壓縮強(qiáng)度下降明顯，其中沖擊損傷較大的C 類鋪層壁板的剩余承載力和壓縮強(qiáng)度下降最多，降低了26.4%，而沖擊損傷最小的A 類鋪層壁板剩余承載力下降最少，降低了7.8%。

表3 壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)件試驗(yàn)結(jié)果表Tab.3 Result of compressing test

圖5 對(duì)比了不同鋪層方式下含有沖擊損傷試件的面內(nèi)壓縮位移與承載力曲線關(guān)系。可以看出，A 類和B 類鋪層方式的壓縮性能曲線較為接近，而C 類鋪層方式的彈性模量較小，且強(qiáng)度較低。結(jié)合表3 中不同鋪層方式的壓縮強(qiáng)度仿真與試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，不同的鋪層形式對(duì)試件沖擊損傷后的破壞荷載和壓縮強(qiáng)度均有影響。

圖5 鋪層方式對(duì)試件承載力的影響Fig.5 Influence of bearing capacity by way of layer

觀察結(jié)構(gòu)壓縮破壞形式，可以發(fā)現(xiàn)鋪層方式對(duì)結(jié)構(gòu)破壞形式影響較弱。含沖擊損傷試件的破壞形式為在壁板沖擊損傷處發(fā)生破壞，破壞位置出現(xiàn)明顯纖維褶皺、纖維分層等現(xiàn)象。圖6 為含有沖擊損傷的試件壓縮破壞形式仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，兩者吻合較好。

圖6 含沖擊損傷試驗(yàn)壓縮破壞形式Fig.6 Compression failure with impact damage

3 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合材料是由2 種或2 種以上不同性質(zhì)材料組成的具有新性能的材料，因此其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與組成方式密切相關(guān)。本文以復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，考慮沖擊損傷影響，開展復(fù)合材料壁板鋪層方式、沖擊損傷等重要因素對(duì)結(jié)構(gòu)壓縮強(qiáng)度的影響研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）鋪層形式對(duì)試件的壓縮承載能力和壓縮強(qiáng)度有顯著影響；但對(duì)復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)的破壞模式影響較弱，均為在壁板沖擊損傷處發(fā)生破壞，破壞位置出現(xiàn)明顯纖維褶皺、纖維分層。

2）相同的鋪層形式下，沖擊損傷對(duì)試件的壓縮承載能力有較大的影響，且沖擊損傷越嚴(yán)重，壓縮承載力越弱。其中以C 類鋪層為例，含沖擊損傷的復(fù)合材料壁板壓縮強(qiáng)度下降了26.38%。