混雜復(fù)合材料層合板抗沖擊性能研究

張超鋒 韓超超 朱佳佳

（1 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，無(wú)錫 214122）

（2 江南航天機(jī)電工業(yè)有限公司，蘇州 215300）

文 摘 為了探究復(fù)合材料層合板在實(shí)際應(yīng)用中因承受沖擊載荷而造成的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，本研究采用實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法，首先探究沖頭形狀對(duì)復(fù)合材料層合板損傷機(jī)理的影響，然后結(jié)合不同沖擊能進(jìn)一步揭示層合板的承載力和能量吸收變化規(guī)律。結(jié)果表明，相同沖擊能下，層合板的損傷范圍和承載力隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增加；相應(yīng)的層合板的臨界穿透能量隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大；沖頭形狀和沖擊能對(duì)層合板的吸能能力有較大的影響。

0 引言

復(fù)合材料層合板比強(qiáng)度高、比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好，廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域［1-2］。但是復(fù)合材料在承受沖擊載荷后造成的損傷會(huì)降低其強(qiáng)度和剛度［3-4］。因此，探究復(fù)合材料層合板在低速重載下的抗沖擊性能在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義［5］。

大多數(shù)研究是通過(guò)損傷模式、峰值力和能量吸收來(lái)評(píng)估復(fù)合材料層合板的抗沖擊性能［6-7］。在常見(jiàn)的纖維材料中，碳纖維層合板和玻璃纖維層合板在沖擊區(qū)域內(nèi)會(huì)發(fā)生分層、基體開(kāi)裂和纖維斷裂等損傷［8-9］。研究表明隨著層合板厚度的增加，其抗沖擊性能得到了改善，整體結(jié)構(gòu)不易發(fā)生穿透損傷［10-11］。在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)層合板造成沖擊損傷的物體具有多種形狀，但是大多數(shù)學(xué)者是通過(guò)半球頭沖擊實(shí)驗(yàn)展開(kāi)對(duì)層合板抗沖擊性能的研究［4，12］。同時(shí)，現(xiàn)研究主要集中在單種纖維層合板的抗沖擊性能研究［13-14］，對(duì)多種纖維混雜編織而成的層合板的抗沖擊性能尚未展開(kāi)深入研究。為此，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法，研究沖頭形狀對(duì)混雜復(fù)合材料層合板的損傷模式和抗沖擊性能的影響，可以為合理評(píng)估層合板低速重載沖擊下的損壞程度和力學(xué)性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣

復(fù)合材料層合板是由碳纖維/玻璃纖維混雜斜紋編織而成的，如圖1 所示。層合板的鋪層順序?yàn)椋郏?/90）C（±45）6G（0/90）C］（C 表示碳纖維，G 表示玻璃纖維），名義厚度為1.92 mm，共有8 層，每層厚度為0.24 mm。層合板試樣為邊長(zhǎng)150 mm的正方形。

圖1 層合板試樣和示意圖Fig.1 Laminate specimen and schematic

1.2 試驗(yàn)方案

本研究采用實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法研究層合板的抗沖擊性能。首先用圓錐沖頭對(duì)層合板進(jìn)行低速重載沖擊。通過(guò)不同沖擊能展開(kāi)層合板在圓錐頭下的沖擊損傷性能研究。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證仿真的有效性。接著進(jìn)一步探究層合板在半球頭和平頭下的沖擊損傷性能。最后對(duì)比分析3 種不同形狀的沖頭對(duì)層合板抗沖擊性能的影響。

研究計(jì)劃分為3 組，如表1 所示，圓錐頭、半球頭、平頭分別用C、H、F 來(lái)表示；沖頭質(zhì)量均設(shè)定為31 kg，通過(guò)調(diào)節(jié)沖頭高度來(lái)調(diào)節(jié)沖擊能量。試樣編號(hào)的意義舉例如下：IE25-16C 表示沖頭是直徑為16 mm的圓錐頭，沖擊能是25 J。

表1 研究計(jì)劃Tab.1 Research program

1.3 試驗(yàn)步驟

沖擊試驗(yàn)機(jī)如圖2 所示。試驗(yàn)機(jī)主要是由落錘系統(tǒng)、夾具和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。夾具由兩個(gè)帶有邊長(zhǎng)為125 mm 正方形切口的鋼板制作而成，層合板試樣被完全固定在夾具的正中心。為準(zhǔn)確評(píng)估單次沖擊下層合板的抗沖擊特性，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)防止落錘的二次沖擊。沖頭的載荷和速度歷程曲線通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得。

圖2 沖擊試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Impact testing machine

1.4 有限元模擬

圖3 有限元模型Fig.3 Schematic of the impact numerical model

在數(shù)值分析中采用Surface-to-surface 接觸。為了模擬實(shí)際工況，在模型中設(shè)置層合板四周和夾具完全固定。沖頭只允許Z方向的移動(dòng)，并在沖頭參考點(diǎn)的Z方向上施加初速度預(yù)定義場(chǎng)。

模型中層合板的本構(gòu)關(guān)系采用漸進(jìn)失效模型。漸進(jìn)失效理論被編進(jìn)VUMAT 子程序中，并應(yīng)用于層合板模型。層合板的力學(xué)性能如表2所示。

表2 層合板材料參數(shù)Tab.2 Mechanical properties of the laminate

層合板的失效準(zhǔn)則如下：

緯向拉伸失效（ε11≥ 0）

層間壓縮失效（ε33＜ 0）

式中，下標(biāo)1、2、3 分別表示緯向、經(jīng)向和面外方向。?i表示每個(gè)主方向的應(yīng)變，?ij表示i-j面的剪切應(yīng)變。

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2 結(jié)果和討論

2.1 損傷模式

2.1.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同形狀的沖頭沖擊層合板的損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。層合板上表面的沖擊區(qū)域有明顯的穿孔。下表面的穿孔損傷范圍隨著圓錐頭、半球頭和平頭依次增大。層合板損傷模式主要有纖維斷裂和分層。

表3 不同沖頭沖擊層合板的實(shí)驗(yàn)損傷模式Tab.3 Experimental failure modes of laminate under different impactors

沖頭形狀對(duì)層合的板損傷模式影響很大。當(dāng)沖頭為圓錐頭時(shí)，錐尖刺破層合板，使得部分纖維發(fā)生斷裂。層合板被錐尖刺破后會(huì)以擠壓損傷形式向四周逐漸擴(kuò)展，形成擠壓穿孔損傷現(xiàn)象。當(dāng)沖頭為半球頭時(shí)，半球頭撕裂纖維層，使得損傷范圍略大于圓錐頭沖擊下的層合板損傷范圍。而平頭由于沖壓效應(yīng)導(dǎo)致層合板產(chǎn)生剪切穿孔損傷，同時(shí)沖擊區(qū)域周?chē)渤尸F(xiàn)出明顯的微小纖維斷裂損傷。另外，由于層合板中碳纖維和玻璃纖維韌性的差異，3種沖頭都導(dǎo)致層合板的沖擊區(qū)域呈現(xiàn)纖維層分層損傷現(xiàn)象。

2.1.2 仿真結(jié)果

層合板的損傷仿真結(jié)果如表4所示，仿真與實(shí)驗(yàn)的損傷情況保持一致。

表4 不同沖頭沖擊層合板的仿真損傷模式Tab.4 Numerical failure modes of laminate under different impactors

從仿真結(jié)果中可以更明顯的看出，層合板損傷區(qū)域范圍隨著圓錐頭、半球頭、平頭逐漸增大。圓錐頭沖擊下層合板的損傷主要集中在很小的區(qū)域內(nèi)，損傷區(qū)域直徑約為沖頭直徑的1.7 倍。在半球頭沖擊下，損傷區(qū)域擴(kuò)大至沖頭直徑的2.7倍。當(dāng)沖頭為平頭時(shí)，損傷幾乎擴(kuò)展到整個(gè)表面。

2.2 接觸力曲線

不同沖頭和層合板的接觸力歷程曲線如圖4 所示，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果具有良好的一致性。接觸力曲線先是快速增加，達(dá)到峰值力后緩慢減小或者急劇下降。

圖4 不同沖頭下沖擊力歷程曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of load-time curves under different impactors

在不同形狀的沖頭沖擊下，曲線的一次剛度隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大。這主要是試樣接觸力達(dá)到峰值的響應(yīng)時(shí)間差異所導(dǎo)致。在相同的沖擊能下，圓錐頭達(dá)到峰值力所用時(shí)間要遠(yuǎn)大于半球頭和平頭達(dá)到峰值力所用的時(shí)間。這是因?yàn)閳A錐頭與層合板接觸是由一個(gè)點(diǎn)逐漸擴(kuò)大的過(guò)程，因此消耗時(shí)間長(zhǎng)。而平頭與層合板的接觸是整個(gè)面接觸，可在短時(shí)間內(nèi)消耗能量。

2.3 承載力

2.3.1 不同能量下的承載力

不同沖頭沖擊層合板的承載力隨著沖擊能的變化如圖5所示。在同種沖頭沖擊下，層合板的承載力隨著沖擊能的增加而增加，直至層合板被完全穿透后承載力保持穩(wěn)定值。層合板在超過(guò)其自身抗沖擊能力后就會(huì)發(fā)生局部穿透失效。

圖5 不同沖擊能下層合板的承載力曲線Fig.5 Bearing force of laminate under different impact energies

沖頭形狀對(duì)層合板的承載力影響較大。在相同的沖擊能下，層合板承載力隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大。同時(shí)可以看出，不同沖頭穿透層合板的沖擊能各有不同。圓錐頭、半球頭和平頭分別在約22、25、55 J的沖擊能下完全穿透層合板。

2.3.2 最大承載力

不同沖頭沖擊層合板產(chǎn)生的最大承載力如圖6所示。不同形狀沖頭沖擊層合板產(chǎn)生的最大承載力差異性較大。這主要是由于層合板的受力和承載面積相關(guān)。在圓錐頭沖擊下，層合板被錐尖刺破后損傷向四周逐漸擴(kuò)展，沖擊影響范圍和承載面積較小。半球頭沖擊下，層合板被沖頭沖擊撕裂穿孔，承載面積相比于圓錐頭沖擊下的承載面積較大。而由于平頭的沖壓效應(yīng)，層合板表現(xiàn)為整體大面積受力，其抗穿透能力最大。

圖6 不同沖頭下層合板的最大承載力Fig.6 Maximum bearing force of laminate under different impactors

2.4 能量吸收特性

2.4.1 能量吸收曲線

不同沖擊條件下，層合板的能量吸收曲線如圖7所示。同種沖頭沖擊下，夾層板的能量吸收隨著沖擊能的增加而增加，直到層合板被完全穿透，能量吸收趨于穩(wěn)定值。但是，在層合板被穿透之后，能量吸收也有略微增加。這主要是因?yàn)?，能量越大沖擊波及范圍越大，層合板微小損傷增加。

圖7 不同沖擊能下層合板的能量吸收曲線Fig.7 Energy absorption of laminate under different impact energies

從圖7 可以看出，在沖擊能低于25 J 時(shí)，層合板的能量吸收隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次減小。而在沖擊能大于50 J 時(shí)，層合板的能量吸收隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大。這表明在沖擊能低于25 J 時(shí)，相比于半球頭和平頭沖擊下層合板的吸能能力，圓錐頭沖擊層合板表現(xiàn)出更好的吸能能力。而在沖擊能大于50 J 時(shí)，平頭沖擊層合板會(huì)表現(xiàn)出更好的吸能能力。這主要是因?yàn)楫?dāng)沖擊能較小時(shí)，在半球頭和平頭沖擊下，層合板處于微小損傷和彈性階段。而在圓錐頭沖擊下，較小的沖擊能也能對(duì)層合板造成局部穿透損傷。在沖擊能較大時(shí)，由于損傷區(qū)域的依次增大，層合板損傷壞范圍隨著圓錐頭、半球頭和平頭依次增大，能量吸收也依次增大。

2.4.2 層合板的吸能能力

不同沖頭沖擊下層合板的吸能能力如圖8所示。層合板的吸能能力隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大。平頭沖擊下層合板的吸能能力是圓錐頭沖擊下層合板的吸能能力的2 倍以上。這主要是因?yàn)樵诖┩傅那闆r下，由平頭沖壓效應(yīng)造成的層合板損傷范圍更大所導(dǎo)致的。

圖8 不同沖頭下層合板的吸能能力Fig.8 Energy absorption capacity of laminate under different impactors

3 結(jié)論

本文主要研究低速重載沖擊下混雜復(fù)合材料層合板的抗沖擊性能，通過(guò)多種沖擊能展開(kāi)層合板在不同沖頭下的沖擊損傷性能研究。可以得出以下結(jié)論：

（1）在相同的沖擊能下，層合板損傷范圍和承載力隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大；

（2）層合板在圓錐頭、半球頭和平頭沖擊下的臨界穿透能量分別約為22、25、55 J；

（3）在沖擊能低于25 J時(shí)，圓錐頭沖擊層合板表現(xiàn)出更好的吸能能力。而在沖擊能大于50 J 時(shí)，平頭沖擊層合板表現(xiàn)出更好的吸能能力。