Ti/CFRP/Ti夾層結構高速沖擊數值模擬研究

丁　冰，崔素春，還大軍

（1.上海飛機設計研究院，上海201210；2.南京航空航天大學，南京210016）

?

Ti/CFRP/Ti夾層結構高速沖擊數值模擬研究

丁冰1，崔素春1，還大軍2

（1.上海飛機設計研究院，上海201210；2.南京航空航天大學，南京210016）

摘要：以新型的Ti/CFRP/Ti（鈦合金/碳纖維復合材料/鈦合金）夾層結構材料為研究對象，基于Hashin準則和Johnson-Cook材料模型，采用有限元計算方法，建立了Ti/CFRP/Ti夾層結構的高速沖擊損傷模型，討論了沖擊速度、芯層復合材料的鋪層、前置鈦板與后置鈦板的厚度配置等因素對沖擊響應的影響。結果表明：靶板吸能值隨彈速增加而增大直至趨于穩定，結構的損傷與芯層復合材料鋪層相關性較小，此外在面密度不變的前提下增加前置鈦板的厚度降低后置鈦板的厚度可以提高Ti/CFRP/Ti夾層結構吸能效果。

關鍵詞：Ti/CFRP/Ti夾層結構；高速沖擊；數值模擬

復合材料結構飛機在服役過程中經常會遇到多種沖擊問題，如飛機維修過程中的工具撞擊等低速沖擊和飛機起降時跑道上濺起的沙石、飛行過程中的飛鳥撞擊等高速沖擊[1，2]。復合材料對沖擊問題非常敏感，在受到沖擊后非常容易產生損傷，采取防護措施將沖擊損傷危害降到最低顯得尤為必要和迫切。

與復合材料相比，金屬材料的抗沖擊損傷性能優異，但是一般金屬材料的比強度比剛度及耐疲勞性能等都弱于復合材料，為更好地發揮復合材料與金屬材料兩者的優點，纖維金屬層板應運而生，金屬的各向同性彌補纖維復合材料橫向性能弱的缺點，可充分發揮纖維復合材料單向力學性能好的優點，同時表層的金屬亦能改善整個材料的抗沖擊性能。為提高葉片抗擊外來物撞擊的能力，GE90發動機在冷端葉片邊緣粘有鈦合金邊條[3]。碳纖維增強鈦合金層板最開始應用在火箭燃料箱上[4]，現今已經在波音B787機翼前緣、發動機吊艙等處獲得應用[5]。

本文研究的Ti/CFRP/Ti夾層結構是將鈦合金薄片用環氧膠粘在已經固化好的碳纖維復合材料面板部分形成的一種三明治結構，通過建立彈丸高速沖擊Ti/CFRP/Ti夾層結構的有限元模型，研究了 Ti /CFRP/Ti夾層結構抗高速沖擊損傷影響因素，為Ti /CFRP/Ti夾層結構在航空航天器上的應用奠定基礎。

1　有限元模型的建立

Ti/CFRP/Ti夾層結構的高速沖擊是個高瞬態過程，現提出下列假設：

（1）認為彈丸是剛體存在；

（2）忽略沖擊過程中的摩擦力做功；

（3）認為彈丸與靶板沖擊接觸區具有相同的速度。

沖擊彈丸采用球半徑2 mm的軸承鋼珠，彈丸的質量為0.26 g；靶板尺寸為80 mm×80 mm，總厚度為2 mm，其中單個鈦合金片0.2 mm，單面膠層0.05 mm，單片預浸料0.125 mm，芯層鋪層為[0/90]3s.

根據以上假設，彈丸在沖擊過程中不存在變形，彈體采用剛體屬性，彈丸的材料屬性如表1所示。

表1　彈丸的材料屬性

鈦合金采用Johnson-Cook模型，本文選用文獻[6]中的一組TC4的Johnson-Cook本構模型，參數見表2.

表2　TC4合金的Johnson-Cook本構模型參數

TC4的Johnson-Cook失效模型參數見表3，取自文獻[7]。

表3　TC4鈦合金的Johnson-Cook失效模型參數

鈦合金與芯層復合材料之間用J272膠膜粘接，J272膠膜是一種環氧樹脂，固化后為脆性材料。J272膠的基本力學性能見表4.

表4　J272中溫固化環氧膠膜的性能參數

Ti/CFRP/Ti夾層結構的芯層復合材料由碳纖維環氧預浸料制成，單層板的基本材料屬性見表5.

表5　Y9200GA/HF10A單向層板力學性能參數

2　有限元模型的合理有效性驗證

考量Ti/CFRP/Ti夾層結構受彈丸高速沖擊的臨界沖擊速度、層板各層的應力情況以及層板的背部破壞模式等方面，通過與試驗結果對比，從而對上述有限元模型建立的合理有效性進行驗證。

彈丸的沖擊速度分別是330 m/s、340 m/s、345 m/s、350 m/s，Ti/CFRP/Ti夾層結構在彈丸沖擊下200 μs時刻點的損傷情況如圖1所示。

圖1　Ti/CFRP/Ti夾層結構在不同彈速沖擊下的損傷情況

通過對比同一時刻不同沖擊速度下的損傷情況，本文近似認為Ti/CFRP/Ti夾層結構受球半徑2 mm的軸承鋼丸沖擊臨界擊穿速度為345 m/s，文獻[8]中的試驗值為341 m/s，模擬值與試驗值相差1.2%，二者吻合較好。

圖2給出了在經345 m/s的彈丸沖擊后Ti/CFRP/Ti夾層結構在32 μs時典型層的應力分布情況。

圖2　32μs時刻典型層的應力分布情況

從圖2可以看出鈦合金和環氧膠是各向同性材料，應力分布沒有方向性，中間層的應力分布具有明顯的方向性，并呈現出花生形狀，因為這幾層是芯層復合材料鋪層。0°層跟90°層的應力分布差別較大，而鋪層方向相同的鋪層的應力分布差別較小。中間層的應力范圍明顯小于外層的應力，并且背面的應力值大于正面跟中間層的應力值，可見在沖擊過程中靶板背面的損傷要比正面的損傷大，這與文獻[8]是一致的。

圖3給出Ti/CFRP/Ti夾層結構背面的破壞形式。

圖3　靶板背面破壞形式

Ti/CFRP/Ti層板呈現出明顯的撕裂型破壞，并仍伴有一定范圍內的塑性變形，這與文獻[8]中Ti/CFRP /Ti夾層結構靶板背面破壞的試驗結果大體上是吻合的，進一步證明了本文建立的有限元模型的合理性和有效性。

3　高速沖擊損傷影響因素分析

在彈丸高速沖擊Ti/CFRP/Ti夾層結構有限元分析模型的基礎上，研究了沖擊速度、芯層復合材料的鋪層、前置鈦板與后置鈦板的厚度配置等因素對沖擊響應的影響。

3.1不同沖擊速度對沖擊響應的影響

為了研究沖擊速度對靶板沖擊響應的影響，選取了5種速度，分別是330 m/s、345 m/s、360 m/s、375 m/s、390 m/s，圖4所示為彈丸在不同的初始沖擊速度下的動能變化歷程曲線。

圖4　彈丸在不同的初始沖擊速度下的動能變化歷程曲線

從上圖可知，在沖擊起始階段，靶板迅速吸能，彈丸穿透靶板后能量便不再變化。345 m/s是被近似認為是靶板的臨界擊穿速度，彈丸的動能幾乎都轉化為靶板的彈性變形能、塑性變形能以及斷裂失效能，最后回彈的動能僅為0.07 J.

當彈丸沖擊速度為345 m/s時，沖擊能量為15.47 J，靶板的吸收值為13.98 J；沖擊速度為360 m/s時，沖擊能量為16.85 J，擊穿后彈丸動能為2.51 J，靶板的吸能值為14.34 J；沖擊速度為375 m/s時，沖擊能量為18.28 J，擊穿后彈丸動能為4.37 J，靶板的吸能值為13.91 J；沖擊速度為390 m/s時，沖擊能量為19.77 J，擊穿后彈丸動能為6.34 J，靶板的吸能值為13.43 J.在沖擊速度高于臨界速度之后，隨著沖擊速度的增加，吸能反而略有降低，這主要是由于隨著速度的增大，彈丸與靶板之間接觸時間短，間接造成后置鈦板的塑性變形小，從而靶板的吸能降低，趨于穩定。

3.2不同鋪層對沖擊響應的影響

對復合材料而言，改變鋪層會對復合材料的低速沖擊損傷產生較為明顯的影響，而改變本文所研究的Ti/CFRP/Ti夾層結構靶板的芯層復合材料的鋪層是否會對其沖擊損傷產生影響則需要研究。

圖5所示給出了在芯層復合材料鋪層不同情況下彈丸的動能變化歷程曲線。

圖5　芯層復合材料為不同鋪層時彈丸的動能變化歷程曲線

上圖中三種工況下的曲線仍基本重合，靶板吸能無明顯差別，并且三種工況下的靶板都處于臨界擊穿狀態，這可以說明靶板的抗高速沖擊性能與芯層復材的鋪層相關性比較小。但是在設計材料結構的時候不僅僅只考慮抗高速沖擊性能，還需要結合實際的受載情況以及各個方向上的受力要求，即在滿足高速沖擊性能的同時還需要滿足靜力學、降低質量等條件。以上研究得到的結果可當做設計時的一種參考。

3.3前置鈦板與后置鈦板的厚度配置對沖擊響應的影響

用球半徑2 mm的軸承鋼丸沖擊靶板，沖擊速度為360 m/s，靶板的面密度均為0.4 g/cm2，表6給出了三種不同工況下靶板的前置鈦板、后置鈦板、芯層復合材料和膠層的厚度參數。

表6　靶板各部分的厚度參數

40 μs時刻三種工況下靶板的損傷狀態圖參見圖6，從圖中可以看出前板厚度0.1 mm、背板厚度0.3 mm的靶板跟前板厚度0.2 mm、背板厚度0.2 mm的靶板都被彈丸穿透，前板厚0.3 mm、背板厚度0.1 mm的靶板沒有被穿透，彈丸又被反彈回來。這表明在面密度相同的條件下，改變前后鈦合金的厚度配置對靶板材料的抗高速沖擊性能有明顯的影響。

圖6　不同工況下靶板在40 μs的損傷狀態圖

三種不同工況下前后鈦合金處于不同厚度配置下的彈丸的動能變化歷程曲線如圖7所示。

圖7　前后鈦合金不同厚度配置下的彈丸的動能變化歷程曲線

從圖7中可以看出，第三種靶板的吸能是最大的，這說明了在靶板面密度一定的條件下，增加前置鈦板的厚度同時減小后置鈦板的厚度可以提供吸能效果，這樣的靶板厚度配置是合理的。

4　結束語

（1）采用有限元分析軟件ABAQUS/Explicit建立了彈丸高速沖擊Ti/CFRP/Ti夾層結構的有限元模型，并用有限元模型模擬的結果與試驗結果進行對比，證明了該有限元模型建立的合理性和有效性。

（2）當沖擊速度低于臨界擊穿速度時，靶板吸能隨沖擊速度的增大而增加，在沖擊速度高于臨界擊穿速度后，靶板的吸能值卻隨沖擊速度的增大而略有減小，但趨于穩定。

（3）Ti/CFRP/Ti夾層結構的抗高速沖擊性能與芯層碳纖維復合材料的鋪層等相關性很小。

（4）在Ti/CFRP/Ti夾層結構面密度一定的條件下，增加前置鈦板的厚度降低后置鈦板的厚度可以提高吸能效果。

參考文獻：

[1]Jorge L，Ramón Z，Carlos N U.Experimental and numerical analysis of normal and oblique ballistic impacts on thin carbon/epoxy woven laminates[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing，2008，39（2）:374-387.

[2]張阿櫻，張東興，李地紅，等.碳纖維/環氧樹脂層壓板的沖擊損傷[J].宇航材料工藝，2010，（05）:1-3.

[3]Kybhei H，Kouji K，Jun S，et al.Development of GE90-115B turbofan engine[J].Engineering Review，2004，238（4）: 54-56.

[4]吳志恩.纖維金屬層板在飛機制造中的應用及工藝性分析[J].航空制造技術，2013，（Z1）:137-139.

[5]徐鳳娟.Ti/APC_2復合層板基本力學性能的有限元模擬研究[D].南京:南京航空航天大學，2013.

[6]季玉輝.基于Johnson-Cook模型的硬物損傷數值模擬研究[D].南京:南京航空航天大學，2009.

[7]Gregory K.Failure modeling of titanium 6AL-4V and aluminum 2024-T3 with the Johnson-Cook material model，DOT/FAA/AR-03/57[R].Washington，D.C.:Office of Aviation Research，2003.

[8]Huan Dajun，Ding Bing，Li Yong，et al.High velocity impact experiment on Ti/CFRP/Ti sandwich structure[J].Trans. Nanjing U.Aero.Astro.，2015，32（1）:121-127.

中圖分類號：V216

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0022-04

收稿日期：2016-01-18

作者簡介：丁冰（1990-），男，碩士，助理工程師，研究方向：結構設計和優化。

Study on Numerical Simulation of Ti/CFRP/Ti Sandwich Structure High Speed Impact

DING Bing1，CUI Su-chun1，HUAN Da-jun2
（1 Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China；2 Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，Nanjing 210016，China）

Abstract：Ti/CFRP/Ti sandwich structure，a new type of composite material was studied.Based on Hashin failure criterion and Johnson-Cook material model，a numericial model to simulate high-velocity impact performace and damage characteristic of Ti/CFRP/Ti sandwich structure was established.Based on above studies，several influencing factors of impact response were discussed.The results were as follows.Energy absorption of the target plate tended to a stable value after the plate broke down.The structure damage had less correlation with the layup changes of the core.Ti/CFRP/Ti sandwich structure had a better ability to resist damage when the front titanium plate thickness on the premise of constant surface density increased.

Key words：Ti/CFRP/Ti sandwich structure；high velocity impact；numerical simulation