結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性對(duì)纖維金屬層板低速?zèng)_擊特性影響

孟祥劍 陳旭 肖鵬 陳東方

摘 要 本文針對(duì)兩種不同構(gòu)型的非對(duì)稱纖維金屬層板（非對(duì)稱FMLs—雙層板和三層板），開(kāi)展不同能量（10J、20J和50J）下的沖擊試驗(yàn)，分析結(jié)構(gòu)構(gòu)型和沖擊能量水平對(duì)非對(duì)稱FMLs的沖擊響應(yīng)、損傷類型和程度的影響，重點(diǎn)研究沖擊非對(duì)稱FMLs上下兩側(cè)產(chǎn)生的抗沖擊性能的差異。研究顯示，同一種FMLs兩側(cè)受到?jīng)_擊作用，F(xiàn)MLs的抗沖擊性能明顯不同；但隨著沖擊能量水平的提高，非對(duì)稱FMLs上下側(cè)面均受到?jīng)_擊作用所產(chǎn)生的沖擊載荷和損傷程度基本一致。

關(guān)鍵詞 非對(duì)稱纖維金屬層板；低速?zèng)_擊響應(yīng)；沖擊性能；損傷分析

ABSTRACT In order to investigate impact performances for two different configurations of asymmetric fiber-metal laminates （asymmetric FMLs—bilayered FMLs and trilayered FMLs）， impact tests with different energies （10J， 20J and 50J） are carried out. The effects of structural configuration and impact energy level on the impact responses， damage types and degree of asymmetric FMLs are analyzed. The difference of impact resistance between the upper and lower sides of the asymmetric FMLs is mainly studied. The results show that the impact resistance of the same FMLs is obviously different when both sides of the FMLs are impacted separately. However， with the increase of impact energy level， the impact load and damage degree for the upper and lower sides of the asymmetric FMLs are almost the same.

KEYWORDS asymmetric fiber-metal laminates; low speed impact response; impact performance; damage analysis

1 引言

纖維金屬層板（FMLs）具備優(yōu)異的抗疲勞和耐久性能，廣泛應(yīng)用于航空航天[1，2]、汽車[3]、國(guó)防[4]等重要領(lǐng)域。但FMLs在低速?zèng)_擊下易產(chǎn)生各種損傷。這些損傷會(huì)大大削弱FMLs的承載性能，也限制了該類結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。FMLs抗沖擊性能受到纖維類型和鋪層方向、金屬層材料類型和鋪放位置、沖擊器直徑、鋪層方式、尺度效應(yīng)和厚度效應(yīng)等多種因素的影響。眾多專家學(xué)者借助大量試驗(yàn)和數(shù)值方法進(jìn)行了詳細(xì)研究。Bienias等[5]討論了纖維類型對(duì)FMLs抗沖擊性能影響，以及載荷-時(shí)間歷史、損傷面積和凹痕深度與不同沖擊能級(jí)之間的關(guān)系。得出結(jié)論，玻璃纖維的FMLs主要通過(guò)塑性變形和分層損傷吸收能量，而碳纖維的FMLs主要通過(guò)被穿透及穿孔的過(guò)程吸收沖擊能。Sadighi等[6]分析了金屬類型和厚度對(duì)FMLs沖擊響應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，用鎂鋁取代鋁并不能在穿孔能量和凹痕深度方面產(chǎn)生改善，而增加鋁厚度可以改善FMLs的沖擊性能。Khan等[7]發(fā)現(xiàn)金屬層分布對(duì)分層損傷模式有較大影響。Fan等[8]改變FMLs厚度、直徑以及沖擊器半徑，對(duì)發(fā)生穿孔所需的能量具有較大的改善。Carrillo等[9]發(fā)現(xiàn)不同尺度的FMLs在低速?zèng)_擊作用下顯示出的變形破壞機(jī)制具有相似性。同時(shí)，最大沖擊力和到達(dá)最大載荷的時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的敏感性較小。Zhu等[10]對(duì)單向和編織復(fù)合材料層合板研究顯示，編織纖維FMLs的變形呈對(duì)稱分布，而單向纖維FMLs的變形并無(wú)對(duì)稱特征。此外，對(duì)于Ti/GFRP層合板，非沖擊側(cè)（未受到?jīng)_擊的底面）鈦面板是否發(fā)生斷裂成為衡量此類層合板抗沖擊載荷的主要影響因素[11]。上述研究中FMLs截面沿厚度方向上均具有對(duì)稱特征，而關(guān)于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)FMLs沖擊行為描述的文獻(xiàn)相對(duì)較少。事實(shí)上，一些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)發(fā)出鋼/橡膠/復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和雙層板等幾種非對(duì)稱混合結(jié)構(gòu)，并對(duì)這些非對(duì)稱混合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力/沖擊變形和破壞機(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Sarlin等[12]研究了沖擊能、橡膠厚度和金屬類型對(duì)鋼/橡膠/復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)沖擊性能的影響。Yu等[13]討論了金屬層對(duì)復(fù)合材料層合板的防護(hù)機(jī)制。

本文通過(guò)試驗(yàn)方法研究了沿厚度方向呈現(xiàn)非對(duì)稱特征FMLs的抗低速?zèng)_擊特性，對(duì)兩種非對(duì)稱FMLs進(jìn)行了一系列沖擊試驗(yàn)，對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型FMLs的抗沖擊性能；對(duì)FMLs的正反兩面進(jìn)行了相同的沖擊試驗(yàn)，確定正反不同面對(duì)低速?zèng)_擊的抵抗力和抗損傷能力。

2試件制備

非對(duì)稱FMLs的金屬層選用厚度為0.30mm（AL1）和0.50mm（AL2）的鋁合金2024-T3。碳纖維復(fù)合材料層合板由單向碳/環(huán)氧預(yù)浸料按[0°/90°]3和[0°/90°]4不同的堆疊順序制備而成。非對(duì)稱FMLs的結(jié)構(gòu)為相同厚度的雙層和三層結(jié)構(gòu)，如表1所示。將復(fù)合材料層合板與鋁合金層粘結(jié)，形成非對(duì)稱的FMLs，如圖1所示。

FMLs采用手工鋪層法制備，在固化過(guò)程中采用模壓法成型；采用鉻酸（CAA）對(duì)鋁合金層表面氧化膜進(jìn)行處理，以提高鋁合金層與復(fù)合材料層合板間的結(jié)合性能。在鋁合金層表面涂上含緩蝕劑的膠膜。然后，在FMLs的表面施加0.5MPa的恒壓；固化周期由室溫升溫至130℃，升溫速率為2℃/min。而后，保持這個(gè)溫度2h，隨至自然冷卻到室溫。最后，用水射流切割機(jī)將這些FMLs切割成100mm×100mm的方形板。

3 試驗(yàn)方法

本文采用落錘沖擊試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)，如圖2所示。為了避免試件受到反復(fù)沖擊，沖擊器在沖擊后有一對(duì)氣動(dòng)回彈捕捉器，以保證層合板試件僅受到一次沖擊作用。為防止試件的振動(dòng)和滑動(dòng)，方形試件用兩個(gè)內(nèi)徑75mm的夾具固定。同時(shí)，夾具的壓力為0.5MPa。

本文采用直徑12mm、重量為13.2Kg的半球形鋼制沖擊器。通過(guò)調(diào)整沖擊器高度（77.3mm、154.6mm、385.8mm），本文實(shí)現(xiàn)10J、20J、50J三種典型沖擊能量工況。結(jié)合式?jīng)_擊器和十字頭的力傳感器可以測(cè)出沖擊力與時(shí)間、沖擊器位移與時(shí)間的關(guān)系。在沖擊過(guò)程中，記錄沖擊力、速度、位移和能量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以評(píng)估非對(duì)稱FMLs的沖擊響應(yīng)。沿厚度方向的非對(duì)稱性為非對(duì)稱FMLs的最顯著特征，對(duì)抗沖擊性能的影響也進(jìn)行了詳細(xì)探討。每種沖擊工況均進(jìn)行3次沖擊試驗(yàn)，并選取較為合理的一組數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

為了全面研究非對(duì)稱FMLs的低速?zèng)_擊特性，本文對(duì)非對(duì)稱雙層板和三層板在10J、20J和50J三種沖擊能量下進(jìn)行了多次沖擊試驗(yàn)。為便于描述沖擊工況類型，本文利用縮寫(xiě)字母代表某些特定沖擊工況，如圖3所示。B-AL表示雙層板的鋁板受到?jīng)_擊器的沖擊工況；B-CL表示雙層板的復(fù)合材料層合板受到?jīng)_擊作用。同樣，T-HAL表示三層板中厚度為0.80mm的鋁板受到?jīng)_擊作用；T-BAL表示三層板厚度為0.30mm鋁板遭受沖擊的工況。一系列低速?zèng)_擊試驗(yàn)展示了非對(duì)稱FMLs的抗沖擊能力及沖擊所引起的損傷問(wèn)題。以研究沖擊能量、結(jié)構(gòu)和沖擊側(cè)面對(duì)沖擊響應(yīng)和破壞機(jī)制的影響。

4.1 10J沖擊能量試驗(yàn)結(jié)果

非對(duì)稱雙層板與三層板在10J沖擊能作用下的沖擊響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。針對(duì)B-CL情況，圖4（a）沖擊載荷-時(shí)間曲線出現(xiàn)先低后高的雙峰現(xiàn)象。即沖擊載荷達(dá)到峰值之前有一個(gè)明顯的載荷下降階段。這預(yù)示著雙層板發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷。如圖5所示，鋁合金層與層合板界面發(fā)生大面積分層損傷，同時(shí)，復(fù)合材料層合板因沖擊作用引發(fā)明顯基體開(kāi)裂。兩者損傷類型導(dǎo)致雙層板承載能力顯著下降，如圖4（a）所示。隨著沖擊器持續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，鋁合金層逐漸起主要承載作用，進(jìn)一步導(dǎo)致沖擊載荷再次上升。因此，針對(duì)10J沖擊能量下的B-CL工況，鋁合金層成為決定抗擊載荷峰值大小的主要因素。

沖擊區(qū)域附近的損傷形態(tài)如圖5和圖6所示。雙層板與三層板損傷表現(xiàn)為鋁合金層的塑性變形、鋁-復(fù)合材料界面的分層損傷和復(fù)合材料損傷。雙層板的整體損傷程度比三層板更嚴(yán)重。相對(duì)于三層板，雙層板的鋁合金層有更大的壓痕（B-AL）和凸起（B-CL），如圖5所示。鋁-復(fù)合材料層間的界面分層面積更大，如圖6所示?；w開(kāi)裂和層間分層損傷更為明顯。在B-CL工況下，沖擊區(qū)域處的鋁合金層與復(fù)合材料層之間出現(xiàn)較大的開(kāi)口。此外，由于沒(méi)有鋁板保護(hù)，復(fù)合材料的裂縫十分明顯。在B-AL工況下，開(kāi)口形狀變得明顯不同。在鋁合金層最大變形位置處，鋁合金層與復(fù)合材料層合板之間依然接觸。這主要是由于鋁合金層的塑性變形限制了復(fù)合材料層合板的恢復(fù)變形。對(duì)于三層板，復(fù)合材料幾乎沒(méi)有損傷。在T-HAL工況下，大范圍的分層損傷以大開(kāi)口的形式存在，而T-BAL工況下這種現(xiàn)象不明顯，但壓痕面積和深度明顯增大。根據(jù)對(duì)圖5和圖6中試件不同視角的損傷分析所得，在10J沖擊能量作用下，非對(duì)稱FMLs主要發(fā)生鋁-復(fù)合材料界面分層損傷，塑性變形也較為顯著，而復(fù)合材料損傷較為輕微。

4.2 20J沖擊能量試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)沖擊能量增加到20J時(shí)，非對(duì)稱FML吸收更多能量，如圖7（b）所示。圖7（a）顯示，雙層板沖擊響應(yīng)曲線均出現(xiàn)先低后高的雙峰現(xiàn)象。即沖擊載荷在加載-時(shí)間曲線上突然下降，然后繼續(xù)增加至更高荷載水平。結(jié)合圖8所示，B-CL和B-AL中均出現(xiàn)纖維斷裂和嚴(yán)重的塑性變形?？梢钥闯觯w維發(fā)生斷裂后，鋁合金層起主要承載作用。根據(jù)圖7（a）所示，B-AL、B-CL、T-HAL和T-BAL工況下的峰值載荷分別為4.53kN、4.52kN、5.08kN和5.18kN。結(jié)果表明，在20J沖擊能量下，對(duì)非對(duì)稱FMLs一側(cè)的沖擊作用所產(chǎn)生的沖擊載荷幅值基本一致，沖擊側(cè)的選取對(duì)沖擊峰值載荷影響較小，而三層板抗沖擊性能仍然優(yōu)于雙層板。

從圖8和圖9可以看出，與10J沖擊能量下試件相比，20J沖擊能量使雙層板和三層板產(chǎn)生嚴(yán)重的鋁合金塑性變形和破壞性的復(fù)合材料損傷。尤其是雙層板中復(fù)合材料纖維沿厚度方向完全斷裂。這表明復(fù)合材料幾乎完全喪失了承載能力，導(dǎo)致雙峰現(xiàn)象產(chǎn)生。此外，在T-HAL工況下，底部薄鋁合金層由于彎曲變形較大，應(yīng)變超過(guò)斷裂應(yīng)變，在中心區(qū)域出現(xiàn)可見(jiàn)裂紋。

4.3 50J沖擊能量試驗(yàn)結(jié)果

隨著沖擊能量進(jìn)一步增加到50J，沖擊器完全穿透所有試樣，如圖10所示。沖擊載荷-時(shí)間曲線和沖擊載荷-位移曲線可分為上升階段、峰值階段和下降階段的特征。結(jié)合10J和20J沖擊能量的分析結(jié)果，當(dāng)承載力快速增加時(shí)，雙層板和三層板試樣首先發(fā)生大規(guī)模鋁-復(fù)合材料分層損傷和鋁合金塑性變形，并伴有復(fù)合材料損傷。當(dāng)鋁合金層出現(xiàn)裂紋時(shí)，非對(duì)稱FMLs的抗沖擊載荷突然下降，承載能力突然消失。隨后，沖擊載荷迅速減小到一個(gè)較小的穩(wěn)定值。根據(jù)圖12所示，發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的試件與持續(xù)運(yùn)動(dòng)的沖擊器之間具有較大摩擦力，引起試件在貫穿后仍然可測(cè)得一定的沖擊載荷。

三層板的沖擊載荷-時(shí)間曲線在上升階段幾乎呈線性，而雙層板在上升階段為斜率由大變小的雙線性組成。這一特征證實(shí)了雙層板抗彎能力弱于三層板。圖10（b）中各試樣吸收能力均小于50J。然而三層板達(dá)到完全破壞所吸收能量高于雙層板，但跟沖擊哪一側(cè)面相關(guān)性較小。此外，雙層板在B-CL和B-AL工況中的峰值載荷約為5.03kN，而三層板在T-HAL和T-BAL中的峰值載荷約為5.50kN。結(jié)合三種能量沖擊下的峰值載荷，如圖13所示，三層板的沖擊載荷峰值基本大于雙層板。

圖11和圖12中詳細(xì)的展示出沖擊器在穿透試件后的復(fù)雜損傷形貌。斷裂的纖維從基體中拔出；鋁合金層在貫穿孔邊緣處受到擠壓并減薄；在非沖擊側(cè)，鋁合金層發(fā)生過(guò)度彎曲變形和裂紋擴(kuò)張，進(jìn)而出現(xiàn)花瓣?duì)铋_(kāi)裂形式。結(jié)合圖7、圖8、圖10和圖11中試驗(yàn)結(jié)果，隨著沖擊能量的提高，非對(duì)稱FMLs的損傷情況由鋁-復(fù)合材料層間分層和鋁合金層塑性變形，逐漸轉(zhuǎn)向纖維斷裂和鋁合金層塑性變形大面積擴(kuò)展。達(dá)到FMLs抗沖擊能力極限后，多種失效類型全部出現(xiàn)，且穿孔成為最明顯的形貌特征，而在B-CL工況中除外。復(fù)合材料在損傷后可恢復(fù)部分變形，同時(shí)，由于分層緣故，鋁合金層沒(méi)有限制這種恢復(fù)變形。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)試樣試驗(yàn)測(cè)試，研究了非對(duì)稱FMLs的抗低速?zèng)_擊能力。針對(duì)兩種不同構(gòu)型的非對(duì)稱FMLs（雙層板和三層板），探討在10J、20J和50J沖擊能量作用下非對(duì)稱FMLs結(jié)構(gòu)的落錘沖擊響應(yīng)和損傷類型。為便于分析，針對(duì)非對(duì)稱FMLs上下兩側(cè)的沖擊工況分別定義，結(jié)合B-AL、B-CL、T-HAL和T-BAL工況結(jié)果，研究結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性對(duì)FMLs的沖擊特性和損傷演化方面的影響。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

（1）在較低沖擊能量（10J）作用下，非對(duì)稱FMLs的抗沖擊性能優(yōu)劣與沖擊側(cè)的選取密切相關(guān)；在20J和50J沖擊能量下，選擇哪一側(cè)承受沖擊作用對(duì)雙層板和三層板的沖擊峰值載荷影響較小，但對(duì)損傷形貌具有一定的影響。

（2）結(jié)合沖擊響應(yīng)曲線，相對(duì)于雙層板結(jié)果，三層板彎曲剛度大、載荷峰值高、吸收能量少；因此，三層板結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能優(yōu)于雙層板結(jié)構(gòu)。

（3）在10J沖擊下，非對(duì)稱FMLs的損傷以鋁-復(fù)合材料層間分層和鋁合金層塑性變形為主；20J沖擊下，非對(duì)稱FMLs主要通過(guò)纖維斷裂和鋁合金層塑性變形大面積擴(kuò)展進(jìn)行吸收能量；50J沖擊下，F(xiàn)MLs出現(xiàn)破壞性損傷，發(fā)生明顯的穿孔特征。

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