三維機(jī)織復(fù)合材料彈道沖擊試驗(yàn)研究

劉志強(qiáng)，王禎鑫，宣海軍，何澤侃

1.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201306

2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310027

民用飛機(jī)需考慮經(jīng)濟(jì)性，其中發(fā)動(dòng)機(jī)減重是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱復(fù)材）密度小、強(qiáng)度大，近年來(lái)，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在國(guó)外的飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)中已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用[1-3]。通用電氣航空公司為波音787研制的GEnx 發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣即為碳纖維全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，這是第一次將復(fù)合材料用于大型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，該復(fù)合材料機(jī)匣在滿足包容性要求的前提下，比金屬機(jī)匣輕154kg，可使一架飛機(jī)減輕質(zhì)量363kg，而且不會(huì)被腐蝕，便于維護(hù)。LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)是第二種采用全復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣的發(fā)動(dòng)機(jī)，斯奈克瑪公司將三維機(jī)織樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成形技術(shù)用于制造風(fēng)扇葉片、機(jī)匣[4]，輕質(zhì)復(fù)合材料的使用可以使裝該發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)每架減重約450kg?？梢?jiàn)，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料風(fēng)扇包容機(jī)匣是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要應(yīng)用方向。風(fēng)扇葉片、機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，包容性設(shè)計(jì)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠工作必須考慮的問(wèn)題，適航條款和軍用規(guī)范都對(duì)其提出了要求[5-6]。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料包容性研究對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制具有重要意義[7]。

通常聚合物基復(fù)合材料在受到?jīng)_擊載荷時(shí)可能的失效模式包括基體變形和起裂、界面脫黏、剪切充塞、分層、纖維斷裂和纖維拔出[8]。層合結(jié)構(gòu)復(fù)材受到?jīng)_擊時(shí)分層損傷現(xiàn)象最明顯但是吸收能量極低，而三維機(jī)織能夠克服層合復(fù)合材料層間強(qiáng)度低、易分層的缺陷，還具有良好的抗沖擊、較高的損傷容限、耐疲勞以及耐磨損、耐燒蝕的能力。

對(duì)于高性能纖維三維機(jī)織結(jié)構(gòu)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其力學(xué)行為和數(shù)值仿真方法的研究仍處于起步發(fā)展階段，積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真技術(shù)和對(duì)其損傷失效機(jī)理的闡釋還比較欠缺[9-10]。練軍[11]采用芳綸制作了兩種規(guī)格的三維編織平板進(jìn)行打靶試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)正面以壓縮和剪切破壞為主，反面以拉伸破壞為主，仿真結(jié)果顯示，機(jī)織物預(yù)制件是主要的吸能體，并且彈道侵徹過(guò)程中預(yù)制件和基體同時(shí)達(dá)到能量的最大值，說(shuō)明二者經(jīng)過(guò)復(fù)合后具有結(jié)構(gòu)整體性。譚煥成等[12]進(jìn)行了碳纖維三維機(jī)織平板打靶試驗(yàn)，研究圓柱彈體撞擊平板不同高度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平板背彈面因纖維斷裂形成鼓包，在平板高度90%處，彈體在迎彈面形成U 形豁口，并且隨著撞擊高度的增高，彈道極限增加。張超[13]對(duì)紗線軌跡進(jìn)行分析，將三維機(jī)織復(fù)合材料劃分為內(nèi)胞、面胞和角胞，建立了三單胞模型，引入失效模式的Tsai-Wu張量準(zhǔn)則，對(duì)三維四向復(fù)合材料進(jìn)行單向拉伸損傷分析及強(qiáng)度預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)小機(jī)織角材料呈脆性斷裂特征，具有較高的拉伸強(qiáng)度；大機(jī)織角材料拉伸模量和破壞強(qiáng)度均小于小機(jī)織角材料，應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)一定的非線性，材料具有一定的延展性。

本文通過(guò)彈道沖擊試驗(yàn)研究三維機(jī)織復(fù)合材料平板在高速物體沖擊下的損傷失效機(jī)制及其力學(xué)行為，采用高速相機(jī)記錄靶板受沖擊產(chǎn)生的損傷變化過(guò)程，分析了不同速度對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料平板損傷形貌的影響。

1 試驗(yàn)件

三維機(jī)織復(fù)合材料平板由T700-12k 碳纖維和雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂BMI-x組成。T700是一種高強(qiáng)度纖維，具有很高的拉伸強(qiáng)度。BMI 樹(shù)脂是高性能熱固性聚合物，固化BMI系統(tǒng)的典型特性包括高玻璃轉(zhuǎn)化溫度（230～380℃）、良好的熱濕性能、恒定的電氣特性和低可燃性[14]。碳纖維和樹(shù)脂性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表 1 碳纖維和樹(shù)脂性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of carbon fiber and resin

采用不同的織造方式使碳纖維在空間中產(chǎn)生不同的走向，會(huì)對(duì)復(fù)合材料性能造成很大影響。本試件尺寸為150mm×150mm×8mm（長(zhǎng)×寬×高），三維機(jī)織結(jié)構(gòu)由平面方向的經(jīng)紗、緯紗和厚度方向的接結(jié)紗組成，三者互相正交，平板實(shí)物如圖1所示，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表 2 復(fù)材機(jī)織平板結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of woven composites plate

圖1 三維機(jī)織復(fù)材平板Fig.1 3D woven composites plate

2 試驗(yàn)方案

三維機(jī)織復(fù)材平板的彈道沖擊試驗(yàn)主要設(shè)備為一級(jí)空氣炮試驗(yàn)系統(tǒng)，原理如圖2所示。

圖2 一級(jí)空氣炮原理圖Fig.2 Structural schematic diagram of one-stage gas gun

試驗(yàn)采用鈍頭圓柱彈，直徑為15mm，高25.43mm，頂端半徑為65mm，材料為TC4鈦合金，質(zhì)量約為19.7g。使用圓柱彈托夾持以便進(jìn)行發(fā)射，彈體底部采用泡沫填充，如圖3所示，在炮管出口安裝有彈托分離器，可以在彈體沖擊靶板前將彈體與彈托分離，彈托分離器如圖4 所示。靶板通過(guò)相框式工裝壓緊，實(shí)現(xiàn)四邊固支，安裝后靶板有效尺寸為140mm×140mm×8mm，如圖5 所示。試驗(yàn)中采用了三臺(tái)高速相機(jī)，如圖6所示，相機(jī)1位于靶板正上方，用來(lái)測(cè)量彈體入射速度和剩余速度，相機(jī)2和相機(jī)3分別位于靶板的斜前方和斜后方，用來(lái)拍攝彈體撞擊入射面和彈體擊穿靶板的情況。

圖3 彈體和彈托Fig.3 Missile and slot

圖4 彈托分離器Fig.4 Slot separator

圖5 靶板工裝Fig.5 Fixtures of target plate

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)高速相機(jī)安置Fig.6 Distribution of high speed cameras at testing site

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文一共進(jìn)行了10次平板打靶試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3，復(fù)材平板產(chǎn)生了不同的損傷破壞和剩余速度，其中7 次彈體回彈，3次靶板被擊穿，最低擊穿速度的吸收能量略低于回彈情況下最高吸收能量。入射動(dòng)能和吸收動(dòng)能關(guān)系如圖7所示（其中“·”為回彈，“?”為擊穿），在靶板被擊穿前，靶板能量吸收與入射動(dòng)能基本呈線性關(guān)系，7次彈體回彈的結(jié)果入射動(dòng)能和吸收動(dòng)能線性擬合優(yōu)度R2為0.9276。圖8、圖9為所有試驗(yàn)靶板的表面損傷情況匯總。10次試驗(yàn)靶板損傷相似，通常在靶板入射面上有一個(gè)與圓柱彈大小相同的干凈圓形損傷區(qū)域，說(shuō)明入射面的主要破壞模式是纖維剪切破壞和和基體壓潰失效。試驗(yàn)后BMI-x樹(shù)脂在入射面和出射面的損壞區(qū)域顏色變?yōu)闇\黃色，樹(shù)脂基體在入射表面沿90°方向有明顯失效，沿機(jī)織方向同樣出現(xiàn)了基體顏色變化。出射面損傷呈橢圓形鼓包，大量的紗線拉出，基體沿著機(jī)織走向失效呈銳角十字形，說(shuō)明主要破壞方式是纖維拉伸斷裂和基體開(kāi)裂。比較10次試驗(yàn)的側(cè)視圖，顯示出出射面的鼓包高度隨著彈體入射速度的增大而增大，但是入射面和出射面的損傷區(qū)域卻并沒(méi)有擴(kuò)大，說(shuō)明損壞都非常局部化，這表明三維機(jī)織復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗裂紋萌生和擴(kuò)展能力。

圖7 入射動(dòng)能—吸收能量變化趨勢(shì)Fig.7 Variation tendency between incident kinetic energy and absorbed energy

圖8 靶板損傷結(jié)果匯總Fig.8 Summary sheet of target plate damages

圖9 靶板損傷結(jié)果匯總(6～10次試驗(yàn))Fig.9 Summary sheet of target plate damages(test of 6～10)

表3 彈道沖擊試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 3 Summary sheet of ballistic impact test results

通過(guò)高速攝像記錄彈體對(duì)平板的破壞過(guò)程，以試驗(yàn)1為例，彈體接觸到靶板后，以彈體與靶板接觸面為圓心，產(chǎn)生了一個(gè)淺黃色圓形損傷區(qū)，隨后樹(shù)脂沿纖維機(jī)織方向形成了兩條淺黃色損傷區(qū)域，同時(shí)靶板整體以彈體為中心凹陷，90°方向出現(xiàn)了明顯的大面積損傷區(qū)域，說(shuō)明靶板正面受到彈體沖擊后，首先沿著機(jī)織走向失效，之后隨著靶板整體變形，靶板橫向受到了主要沖擊。通過(guò)高速攝像拍攝的靶板背面破壞過(guò)程，可以看到在對(duì)應(yīng)入射面彈體擊中位置平板背面首先出現(xiàn)了一個(gè)淺黃色圓形損傷區(qū)，隨后噴射出大量樹(shù)脂和纖維碎片，并且樹(shù)脂迅速隨著纖維機(jī)織方向形成了兩條淺黃色損傷區(qū)域，說(shuō)明靶板背面首先是沿著機(jī)織方向產(chǎn)生破壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維機(jī)織復(fù)合材料提供了顯著的面內(nèi)強(qiáng)度和面外特性。當(dāng)遭受沖擊載荷時(shí)，損傷非常局部化，表明三維機(jī)織復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗裂紋萌生和擴(kuò)展性。發(fā)現(xiàn)沖擊表面的主要破壞模式是纖維剪切破壞和基體破碎；在出口表面，主要破壞模式是纖維拉伸斷裂和基體開(kāi)裂。

高速相機(jī)的記錄顯示了靶板受沖擊時(shí)沿著纖維機(jī)織方向損傷，并且靶板正面沿90°方向出現(xiàn)了更嚴(yán)重的損傷，說(shuō)明靶板主要受到橫向沖擊。擊中位置平板背面首先出現(xiàn)了一個(gè)淺黃色圓形損傷區(qū)，隨后噴射出大量樹(shù)脂和纖維碎片，并且樹(shù)脂迅速隨著纖維機(jī)織方向形成了兩條淺黃色損傷區(qū)域，說(shuō)明靶板背面首先是沿著機(jī)織方向產(chǎn)生破壞。

未來(lái)的工作包括通過(guò)X射線CT掃描、光學(xué)顯微鏡等手段觀測(cè)三維機(jī)織平板材料的內(nèi)部、表面及邊緣的纖維機(jī)織結(jié)構(gòu)，分析沖擊的破壞形態(tài)和破壞模式，對(duì)復(fù)合材料和樹(shù)脂開(kāi)展一系列靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試，研究樹(shù)脂基體對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料的損傷失效和力學(xué)行為的影響，建立有限元模型進(jìn)行仿真分析。