碳/玻混雜夾層板低速撞擊損傷特性試驗(yàn)研究

朱镕鑫，白雪飛，梅志遠(yuǎn)，周軍

海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院，湖北武漢430033

0 引 言

復(fù)合材料層合板與傳統(tǒng)鋼質(zhì)板材相比，強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)，在航空航天、土木工程以及船舶制造領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用［1-6］；但其在受到面外撞擊載荷作用時(shí)，極易出現(xiàn)層合板內(nèi)部基體開(kāi)裂甚至層間分層現(xiàn)象［7-9］，削弱了復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載性能。因此有必要探討復(fù)合材料層合板在低速撞擊下的損傷機(jī)理和響應(yīng)規(guī)律。

玻璃纖維層合板作為較為經(jīng)典的復(fù)合材料層合板，對(duì)其的研究已經(jīng)非常充分，應(yīng)用也十分廣泛。沈真等［10］在1991 年進(jìn)行了較為系統(tǒng)的低速?zèng)_擊試驗(yàn)，得出外觀及內(nèi)部損傷形態(tài)隨沖擊能量變化會(huì)出現(xiàn)狀態(tài)變化。隨著眾多學(xué)者對(duì)層合板材料選型的深入研究，碳纖維層合板的剛度強(qiáng)度特性得到了關(guān)注。張子龍等［11］對(duì)特定鋪層設(shè)計(jì)的碳纖維層合板進(jìn)行了低速?zèng)_擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了沈真“損傷形貌與纖維鋪設(shè)角度有關(guān)”的結(jié)論；易美琦［12］通過(guò)仿真計(jì)算，研究了預(yù)置分層損傷形貌、角度、沿厚度方向的位置對(duì)沖擊后碳纖維層合板剩余強(qiáng)度的影響規(guī)律及影響程度。但碳纖維自身延伸率低、與玻璃纖維相比韌性較差的特性也限制了其應(yīng)用。于是，考慮將2 種纖維混雜，兼顧并充分發(fā)揮兩者的力學(xué)特性。

碳/玻混雜的目的是同時(shí)利用碳纖維的強(qiáng)度、剛度優(yōu)勢(shì)及玻璃纖維的韌性優(yōu)勢(shì)。但碳纖維與玻璃纖維的力學(xué)性能差異較為明顯，層間混雜所帶來(lái)的變形不協(xié)調(diào)使得2 種纖維界面處極易產(chǎn)生損傷。除了利用傳統(tǒng)的面內(nèi)強(qiáng)度測(cè)試反映剩余承載性能外，有學(xué)者提出了利用模態(tài)參數(shù)反映分層損傷對(duì)層合板影響程度的方法［13］。

模態(tài)參數(shù)一般包括振型、頻率以及阻尼3 個(gè)參數(shù)。在層合板損傷分層的早中期階段，即損傷面積不大于50%時(shí)［13］，分層板與無(wú)損板的振型無(wú)明顯區(qū)別；低階模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率改變也不明顯，僅表現(xiàn)出5%以內(nèi)的偏差，對(duì)于判斷是否產(chǎn)生分層損傷沒(méi)有實(shí)質(zhì)性作用；而沖擊加載所帶來(lái)的基體損傷、層間分層甚至纖維斷裂，會(huì)在層合板內(nèi)部形成新的自由面，使得層合板振動(dòng)時(shí)因新的自由面互相接觸摩擦而耗能，外部表現(xiàn)為阻尼的急劇增加，即低階模態(tài)下的阻尼特性對(duì)損傷程度變化的反應(yīng)較靈敏。本文擬參考文獻(xiàn)［13］的觀點(diǎn)，選取層合板在損傷前、后的一階模態(tài)阻尼比的增長(zhǎng)規(guī)律對(duì)損傷程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

目前對(duì)混雜層合板低速?zèng)_擊損傷特性的研究，大多集中在材料層面，試件尺寸及沖擊能量取值較小，單純進(jìn)行損傷機(jī)理分析［14-15］，對(duì)工程應(yīng)用的指導(dǎo)作用不夠直接。本文將通過(guò)落錘沖擊法模擬玻璃纖維/3201 手糊層合板以及碳/玻混雜夾層板受不同能級(jí)低速撞擊載荷作用，對(duì)比兩者的耐撞擊特性，測(cè)量沖擊加載后平板的分層區(qū)域直徑D、沖擊凹坑深度s 及凹坑直徑d，來(lái)描述沖擊損傷形態(tài)及一階模態(tài)阻尼，以明確碳/玻混雜夾層板與玻璃纖維層合板的損傷模式及其演變規(guī)律的不同之處。此外，在碳/玻混雜夾層板沖擊面貼敷柔性覆蓋層，將此作為優(yōu)化和保護(hù)途徑，探討其對(duì)碳/玻混雜夾層板耐撞擊特性的優(yōu)化效果。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試件方案

本文研究對(duì)象有玻璃纖維層合板、碳/玻混雜夾層板以及碳/玻混雜夾層單側(cè)貼敷橡膠復(fù)合板（橡膠貼敷厚度20 mm）3 種，其中碳/玻混雜夾層板鋪層參數(shù)如表1 所示。玻璃纖維層合板鋪層方式為0°/90°正交鋪層，為保證2 種試件的起始剛度相同，玻璃纖維層合板厚度設(shè)計(jì)為15 mm。

表1 碳/玻混雜夾層板鋪層參數(shù)Table 1 Ply parameters of hybrid carbon-glass fiber sandwich panel

1.2 撞擊試驗(yàn)加載工況設(shè)計(jì)

參考美國(guó)ASTM D30 復(fù)合材料委員會(huì)審定的測(cè)量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料對(duì)落錘沖擊事件的損傷阻抗的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（ASTM D7136）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，確定沖擊試驗(yàn)平板長(zhǎng)、寬均為250 mm；沖頭設(shè)計(jì)為直徑20 mm 的半球形，沖擊點(diǎn)位于平板面內(nèi)幾何中心。確定工況前，通過(guò)仿真計(jì)算得到試件在準(zhǔn)靜態(tài)加載工況下產(chǎn)生初始損傷時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷，取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)放大載荷得到產(chǎn)生撞擊損傷所需的載荷，對(duì)應(yīng)沖擊能量起始值為137.2 J，試驗(yàn)沖頭起始質(zhì)量為7 kg，沖頭距試件凈高2 m，每2 個(gè)沖擊載荷能量之間相差137.2 J，即每檔能量倍增，本文試驗(yàn)具體工況設(shè)置如表2 所示。

表2 沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況Table 2 Designed conditions of the impact test

落錘沖擊試驗(yàn)平臺(tái)如圖1 所示。實(shí)際使用吊裝高度為2 m，與文獻(xiàn)［16］采用同一試驗(yàn)平臺(tái)。

圖1 沖擊試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Impact test platform

使用游標(biāo)卡尺測(cè)量沖擊凹坑深度和直徑，使用超聲C 掃描儀測(cè)量沖擊損傷區(qū)域直徑，后者可成像后自動(dòng)讀數(shù)。

1.3 模態(tài)阻尼特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別對(duì)損傷前、后玻璃纖維層合板、碳/玻混雜板和碳/玻混雜單側(cè)貼敷橡膠復(fù)合板進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。

試驗(yàn)中模態(tài)識(shí)別采用了多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)拾振法。為盡量得到接近實(shí)際的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，激勵(lì)點(diǎn)分布在整個(gè)板面，板正面均布25 個(gè)激勵(lì)點(diǎn)（圖2（a）），采用力錘激勵(lì)。為突出沖擊點(diǎn)附近因損傷帶來(lái)的振動(dòng)響應(yīng)變化，在板背面中心布置1 個(gè)加速度響應(yīng)拾振點(diǎn)；不同的邊界條件會(huì)引起平板響應(yīng)特性的明顯變化，為使響應(yīng)更加明顯，板的邊界條件確定為一邊固支。試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)由貼敷于層合板表面的加速度傳感器、動(dòng)態(tài)采集器、力錘及計(jì)算機(jī)等組成，實(shí)際組裝效果如圖2（b）所示。最終得到平板在力錘敲擊下的頻響特性曲線，進(jìn)而分析得到一階模態(tài)下的阻尼值。

圖2 模態(tài)阻尼特性試驗(yàn)激勵(lì)點(diǎn)分布及工裝Fig.2 Distribution of excitation points and rig of modal damping characteristic test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 低速撞擊試驗(yàn)

基于給定工況C1～C4，對(duì)3 種平板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。各種平板沖擊損傷的表觀形態(tài)如圖3 所示，對(duì)平板的超聲C 掃描示意圖如圖4 所示。

對(duì)比圖3 和圖4 的損傷形貌可以看出：玻璃纖維層合板的迎撞面呈現(xiàn)明顯的圓形沖擊凹坑以及較小的十字形裂紋擴(kuò)展；碳/玻混雜夾層板則呈現(xiàn)出更為明顯的十字形坑。在背撞面上，隨著沖擊能量增大，玻璃纖維層合板出現(xiàn)了損傷形態(tài)的變化，當(dāng)沖擊能量達(dá)到411.6 J 時(shí)，背撞面開(kāi)始出現(xiàn)花瓣?duì)畹睦w維斷裂區(qū)域；而碳/玻混雜夾層板在試驗(yàn)設(shè)定的能量范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為目視可見(jiàn)的內(nèi)部分層區(qū)域的擴(kuò)大，板背面并沒(méi)有出現(xiàn)基體開(kāi)裂及纖維斷裂。

由圖4 可以看出，各平板面內(nèi)的損傷區(qū)域形狀均為近似圓形。在厚度方向，玻璃纖維層合板的損傷區(qū)域形狀為近似倒置喇叭狀，損傷區(qū)域直徑最大值位于整個(gè)損傷區(qū)域最靠近板背面的位置；碳/玻混雜夾層板的損傷區(qū)域沿厚度方向無(wú)規(guī)則分布。掃描結(jié)果顯示：沿厚度方向有4 個(gè)直徑較大的“損傷區(qū)域”，但結(jié)合掃描儀的工作原理，圖中的Ⅱ～Ⅳ區(qū)域?qū)嶋H都是探傷聲波到達(dá)Ⅰ區(qū)域后反射形成的虛像，即實(shí)際探得的損傷區(qū)域僅有Ⅰ區(qū)域，也就是說(shuō)碳/玻混雜夾層板沿厚度方向的損傷區(qū)域主要集中在Ⅰ區(qū)域，其對(duì)應(yīng)的深度為碳纖維與E800 玻璃纖維之間的界面。

圖3 不同平板沖擊損傷表觀形態(tài)圖Fig.3 Different plate impact damage appearance

表3 所示為不同工況下玻璃纖維層合板與碳/玻混雜夾層板損傷程度對(duì)比結(jié)果，對(duì)比參數(shù)包括損傷區(qū)域直徑最大值D、損傷區(qū)域直徑最大值所在深度h、沖擊凹坑深度s、凹坑直徑d。

圖4 沖擊損傷試件超聲C 掃描示意圖Fig.4 Schematic digram of ultrasonic scanning of impact damage test piece

沖擊加載后的碳/玻混雜單側(cè)貼敷橡膠復(fù)合板無(wú)明顯的沖擊凹坑，所以用于對(duì)比其與碳/玻混雜夾層板損傷形態(tài)的特征參量?jī)H有損傷區(qū)域最大直徑。對(duì)比2 種平板的損傷區(qū)域最大直徑，得到單側(cè)貼敷橡膠板相對(duì)純碳/玻混雜夾層板損傷區(qū)域直徑的減小幅度rdec，具體數(shù)值如表4 所示。

2.1.2 模態(tài)阻尼特性試驗(yàn)

對(duì)3 種層合板進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，將采集的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)，在模態(tài)分析時(shí)選擇一階固有頻率附近可識(shí)別的信號(hào)點(diǎn)，通過(guò)軟件計(jì)算得到玻璃纖維層合板和碳/玻混雜夾層板的一階模態(tài)阻尼比，如表5 所示。表中rg為一階模態(tài)阻尼比。碳/玻混雜+單側(cè)橡膠復(fù)合板激振響應(yīng)太過(guò)微弱，低于傳感器的接收范圍下限，所以在沖擊試驗(yàn)后將橡膠層清除再進(jìn)行一階模態(tài)阻尼測(cè)量。

表3 玻璃纖維層合板與碳/玻混雜板損傷特征參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparation of damage characteristic parameters between GFRP and hybrid carbon-gless fiber sandwich panel

表4 碳/玻混雜板與碳/玻混雜+單側(cè)橡膠復(fù)合板損傷特征參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparation of damage characteristic parameters between hybrid carbon-gless fiber sandwich panel and rubber pasted hybrid carbon-gless fiber sandwich panel

表5 一階模態(tài)阻尼比測(cè)量值Table 5 Measurment data of first-order modal damping ratio

2.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及分析

2.2.1 低速撞擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及分析繪制

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)，繪制損傷形貌特征參數(shù)隨沖擊能量變化圖，如圖5～圖7 所示。

由圖4 和表3 可知，玻璃纖維層合板與碳/玻混雜夾層板的損傷模式存在差異：玻璃纖維層合板的損傷區(qū)域最大直徑所在深度隨沖擊能量增大向板背面偏移，直至損傷區(qū)域貫穿整個(gè)板厚方向；碳/玻混雜夾層板的損傷區(qū)域最大直徑所在深度基本保持在碳纖維與E800 纖維的界面處。損傷區(qū)域最大直徑所在深度的變化規(guī)律也表明碳纖維與E800 纖維交界處界面強(qiáng)度小于E800 纖維、碳纖維各自內(nèi)部的層間粘接強(qiáng)度，所以出現(xiàn)層間分層集中在2 種纖維交界處的現(xiàn)象。

圖5 損傷區(qū)域直徑隨沖擊能量的變化Fig.5 Variation of diameter of the damage zone with respect to impact energy

圖6 沖擊凹坑深度隨沖擊能量的變化Fig.6 Variation of depth of impact pit with respect to impact energy

圖7 沖擊凹坑直徑隨沖擊能量的變化Fig.7 Variation of diameter of impact pit with respect to impact energy

由圖5～圖7 可見(jiàn)，2 種平板的損傷特征參數(shù)隨沖擊能量的增大均單調(diào)增長(zhǎng)，且碳/玻混雜夾層板的損傷區(qū)域直徑最大值始終大于玻璃纖維層合板，也證明了2 種纖維接觸界面處的強(qiáng)度小于單一種類(lèi)玻璃纖維編織層之間的界面強(qiáng)度；而碳/玻混雜夾層板的沖擊凹坑尺寸普遍小于玻璃纖維層合板，也即碳纖維層的剛度大于玻璃纖維，且沖擊彎斷后的短切碳纖維在局部可以對(duì)剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

通過(guò)表4 中2 種板材的對(duì)比結(jié)果可以看出，貼敷橡膠對(duì)沖擊載荷能量有著明顯的吸收作用，但隨著沖擊能量的增大，橡膠的防護(hù)作用會(huì)削弱。在沖擊能量不太大時(shí)，橡膠貼敷層可以較為理想地保護(hù)碳/玻混雜層合部分；而在工況C4 時(shí)橡膠層減輕損傷的作用僅剩2.46%。也就是說(shuō)在單純考慮局部損傷的背景下，橡膠貼敷需考慮環(huán)境工況予以調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能。

2.2.2 模態(tài)阻尼特性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及分析

觀察3 種平板的一階模態(tài)阻尼比隨沖擊載荷能量的變化趨勢(shì)（圖8），可以看出，3 種平板的一階模態(tài)阻尼比隨著沖擊能量增大均呈現(xiàn)了非線性單調(diào)遞增趨勢(shì)。相比玻璃纖維層合板，不論碳/玻混雜夾層板是否貼敷橡膠，其一階模態(tài)阻尼比的絕對(duì)值和漲幅都更低。在沖擊能量相同的情況下，前者承載性能對(duì)分層損傷的敏感程度弱于后者。由表4 可見(jiàn)，在工況C2 時(shí)貼敷橡膠的碳/玻混雜夾層板損傷區(qū)域直徑最大值大于工況C1 時(shí)未貼敷橡膠的碳/玻混雜夾層板，但圖8 所示前者的一階模態(tài)阻尼比小于后者；結(jié)合低階模態(tài)阻尼表征層合板損傷程度的原理分析可知，未貼敷橡膠碳/玻混雜夾層板產(chǎn)生的沖擊凹坑和板正面的裂紋擴(kuò)展會(huì)使損傷區(qū)域的接觸阻尼變大，所以對(duì)一階模態(tài)阻尼比的提高有一定影響。

圖8 平板一階模態(tài)阻尼比隨沖擊能量的變化趨勢(shì)Fig.8 Variation of the first-order modal damping ratio of the panel with respect to impact energy

由圖9 可見(jiàn)，在沖擊能量較低時(shí)，貼敷橡膠前、后的碳/玻混雜夾層板的一階模態(tài)阻尼比明顯下降，降幅達(dá)到52.21%；隨著沖擊能量的增大，雖然一階模態(tài)阻尼比降幅同樣增大，但隨著分層損傷程度增大，一階模態(tài)阻尼比出現(xiàn)更加急劇的非線性增長(zhǎng)，在工況C4 時(shí)阻尼比的降幅已經(jīng)減小至39.01%，貼敷橡膠對(duì)一階模態(tài)阻尼比的降低作用隨著沖擊能量增大而相對(duì)弱化，這與之前觀察分層損傷區(qū)域時(shí)得到的貼敷橡膠防護(hù)作用隨沖擊能量增大而迅速減弱的結(jié)論一致。

3 結(jié) 論

本文采用落錘法對(duì)碳/玻混雜夾層板、玻璃纖維層合板以及碳/玻混雜夾層單側(cè)貼敷橡膠復(fù)合板等3 型平板的低速耐撞擊性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，得到以下主要結(jié)論：

1）同等沖擊能量下，碳/玻混雜夾層板與玻璃纖維層合板的損傷模式存在差異。碳/玻混雜夾層板的層間損傷主要產(chǎn)生在碳纖維與E800 玻璃纖維2 種纖維的界面，玻璃纖維層合板的損傷模式呈現(xiàn)較為規(guī)則的圓臺(tái)形；前者分層損傷區(qū)域直徑始終大于后者。

2）隨著沖擊能量的增大，3 種平板的一階模態(tài)阻尼比均呈現(xiàn)非線性單調(diào)遞增，碳/玻混雜夾層板的剩余承載性能及其對(duì)分層損傷的敏感程度均優(yōu)于玻璃纖維層合板；貼敷橡膠使得碳/玻混雜夾層板的剩余承載特性得到了一定程度的優(yōu)化。

3）在沖擊能量增大的起始階段，橡膠貼敷層對(duì)碳/玻混雜夾層板的防護(hù)作用就已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的削弱，隨著沖擊能量增大最終穩(wěn)定在較低水平。