S型碳纖維褶皺夾芯結構低速沖擊響應特性實驗研究

鄧云飛，周楠，田銳，魏剛

中國民航大學 航空工程學院，天津 300300

先進復合材料結構憑借其比強度和比剛度大、可設計性強、易于實現多功能化等優勢已成為航空、航天與交通運輸等領域的理想材料。抗沖擊性能是很多結構設計需要考慮的重要因素，而傳統的單層板結構無法兼顧結構輕量化及防護性能的要求。因此具有一系列優點的復合材料夾芯結構得到了科研人員的極大關注。

夾芯結構是一種由面板、芯體及面-芯膠層組成的輕質結構，根據芯體結構不同，可將其分為蜂窩夾芯、波紋夾芯、點陣夾芯和褶皺夾芯等。蜂窩夾芯是當前應用廣泛且成熟的結構，其面外壓縮和沖擊性能優異，且具有良好的隔熱、隔音性能。但蜂窩結構封閉的單胞易導致水汽凝結，使結構重量增加并破壞面-芯粘接，這些不利因素極大地限制了蜂窩夾芯結構在航空航天領域的進一步發展和應用。因此褶皺夾芯結構引起了研究者的關注。相較于蜂窩結構，褶皺夾芯結構褶皺芯層特有的開放性空腔非常適合空氣、冷凝液的流通，并且還可以布線、傳熱，滿足實際應用中多功能性的要求。褶皺夾芯結構可設計性強，可根據實際應用特點改變芯層折疊規律，從而獲得不種形式的芯子。此外通過優化褶皺夾芯結構的幾何尺寸和結構，可使其力學性能優于蜂窩結構。

近年來，隨著復合材料制備工藝的成熟和夾芯結構研究的深入，褶皺夾芯結構以其優良的力學性能及多功能應用潛力成為輕質防護結構領域研究的熱點。褶皺夾芯結構作為新型吸能單元，具有優良的抗沖擊性能。Basily和Elsayed通過實驗發現褶皺夾芯結構在3個方向上均能保持較好的能量吸收能力，在相同沖擊條件下，V型褶皺夾芯結構的單位體積能量吸收優于蜂窩夾芯結構。Heimbs等對褶皺夾芯結構進行了系統的實驗研究，測試了V型褶皺夾芯結構的靜態力學性能及抗沖擊性能，指出由于內部折疊芯體的高剛度，上面板的彎曲變形非常有限，阻礙了分層損傷在相鄰單元的傳播。芳綸紙芯子具有極高的韌性，而碳纖維芯子則表現出極高的比剛度和比強度。Gattas和You通過實驗與數值模擬的方法對比了鋁合金直折痕芯體和彎曲折痕芯體在低速沖擊下的吸能特性，發現彎曲折痕芯體明顯更優，原因在于彎曲折痕結構漸進的圓柱板屈曲破壞模式耗能更高。Kilchert等研究了M型褶皺夾芯板在低速沖擊下的響應特性，發現沖頭的大部分動能被芯體吸收，其原因在于芯體的變形和損傷程度比面板高。另外芯體退化和摩擦對夾芯結構的能量吸收起重要作用。Klaus等研究了M型褶皺夾芯板沖擊后的剩余強度，指出沖擊造成的損傷和變形量與受損樣品的彎曲強度之間存在很強的相關性；即使沖擊僅造成細微損傷，也能顯著地降低此類結構的彎曲強度。張培文等以后面板最大撓度作為抗爆性能的評價指標，研究了折疊芯夾芯梁的動態響應，發現曲邊蜂窩夾芯梁的能量吸收略高于直邊蜂窩夾芯梁，原因在于芯層壁面為曲邊時初始折角對蜂窩芯體的塑性屈曲有引導作用，使芯層可更早發生漸進壓縮，產生較大塑性變形實現能量耗散。王濤設計并制備了平面褶皺雙層芯體的橄欖形夾芯結構，通過低速沖擊實驗發現結構具有明顯雙載荷峰值情況，第2載荷峰值會隨芯子密度的提升而增大。

褶皺夾芯結構近年來發展迅速，相較于傳統防護結構具有高比強度和比剛度、隔音隔熱性能好、易于實現多功能化等諸多應用優勢，而結構的動態力學性能更是其應用所需考慮的重點問題。目前，褶皺夾芯結構動態力學性能研究多采用數值仿真方法，缺少動態力學性能實驗研究。特別地，褶皺夾芯板性能主要由內部芯體構型決定，而S型碳纖維褶皺夾芯板作為新型結構，其抗沖擊性能研究鮮見報道。因此，先以模壓法制備S型碳纖維褶皺芯子，再通過二次膠接工藝制得S型碳纖維褶皺夾芯板。采用直徑20 mm的柱形沖頭以不同能量沖擊褶皺夾芯板節點位置和基座位置，探討S型碳纖維褶皺夾芯板在低速沖擊下的損傷機制和吸能特性。

1 實驗材料與方法

1.1 褶皺芯子構型設計

傳統夾芯結構多為蜂窩夾芯，如圖1(a)所示。蜂窩夾芯結構平壓性能優異，但其封閉的芯子單胞導致內部水分難以排出，增加了結構重量，水分反復地冷凍/解凍易使結構失效，而V型褶皺夾芯結構從構型上解決了蜂窩夾芯結構積水的問題。V型褶皺夾芯結構開放的內腔使其具有優良的散熱性能和流通性能，既可排出結構內的水分、減輕結構重量，又帶走了由于結構內部元器件工作產生的熱量，是蜂窩夾芯結構潛在的替代品。但隨著研究的深入，V型褶皺夾芯結構的兩個缺陷也逐步被發現。

一方面，V型褶皺夾芯結構沒有解決芯子與面板之間線-面粘接的問題，粘接面積過小導致結構在承受彎曲、剪切和沖擊等載荷時易發生面-芯之間的脫粘而過早失效，無法發揮芯子的構型優勢；另一方面，在芯子棱線處缺少圓弧過渡，材料在棱線處彎折導致結構力學性能變差。此外，在結構承載時芯子壁面拐角處易形成應力集中。因此可能導致V型褶皺夾芯結構承載時在材料性能最弱部位反而應力峰值最大，從而影響結構力學性能，在結構作為承力部件時極大降低結構的可靠性，如圖1(b)所示。基于上述分析，對V型褶皺夾芯結構進行優化設計，將V型褶皺夾芯結構芯子單胞的直線過渡轉變為曲線過渡，從而得到S型褶皺結構，如圖1(c)所示。

圖1 不同夾芯結構對比Fig.1 Comparison of different sandwich structures

對V型褶皺夾芯結構進行優化，即整體曲面化處理。以V型褶皺芯子的一個單胞棱線為例，將兩條直線改為圓弧相接，且考慮單胞和單胞之間同樣要求平滑圓弧連接。將一個單胞棱線均分為4段，每段棱線以60°圓心角對應的圓弧對接。優化后各單胞圓滑連接，解決了材料彎折及應力突變的問題，如圖2(a)步驟①所示。針對V型褶皺夾芯結構面-芯容易脫粘的問題，將芯子頂部棱線平移一段距離，從而形成與面板面-芯子面接觸的頂部平臺，增大粘接面積，如圖2(a)步驟②所示。通過兩步優化設計得到S型褶皺芯子單胞，如圖2(b) 所示。

圖2 S型褶皺芯子優化過程及單胞Fig.2 S-shaped folded core optimization process and unit cell

表1列出了褶皺芯子所采用的幾何參數，通過給定參數可近似推導單胞質量：

表1 褶皺芯子參數Table 1 Parameters of folded core

(1)

式中：為材料密度。

同理，考慮整個褶皺夾芯結構的單位面積質量為

(2)

1.2 褶皺夾芯結構制備

夾芯板的面板和芯子均使用Solvay公司生產的平紋編織碳纖維預浸料(CYCOM97714A/PWC T300 3K ST)，單層預浸料厚度為0.25 mm。面板鋪層順序為[0°/90°/90°/0°]，芯子鋪層順序為[45°/-45°/-45°/45°]，厚度均為1 mm。面-芯之間的粘接選用同為Solvay公司生產的改性環氧薄膜膠粘劑(METLBOND1515-4M)。

芯子由模壓成型工藝制得，如圖3(a)所示。首先，將模具預熱至60 ℃，將鋪貼完成的預浸料平鋪于下模具上，將條狀上模具依次壓入下模具的凹槽內，通過兩側螺栓施加壓力；然后，將模具放入烘箱，加熱固化；最后，降溫脫模得到S型碳纖維褶皺芯子，工藝流程如圖3(b)所示。

圖3 褶皺芯子的制備Fig.3 Fabrication of folded core

面板由真空袋成型工藝制得，如圖4所示。面板上下加金屬均壓板以保證其受壓均勻，利用熱補儀調控電熱毯按照固化曲線升溫。此外實時監測溫度及袋內真空度，固化全過程開啟壓氣機以保證真空袋內真空度恒定，預浸料在達到固化溫度后先保溫90 min，再降溫得到面板，具體固化曲線如圖5所示。最終使用環氧薄膜膠粘接面板與芯層，并通過二次固化得到S型碳纖維褶皺夾芯結構。

圖4 面板制備工藝Fig.4 Panel preparation process

圖5 固化曲線Fig.5 Curing curves

1.3 沖擊實驗方法

實驗在Instron 9350落錘試驗機上進行，主體沖擊結構由配重塊、機架、傳感器和沖頭組成，沖擊質量為10.64 kg，落錘試驗機如圖6所示。沖頭直徑為20 mm，頭部形狀為平頭。

圖6 落錘試驗機Fig.6 Drop weight testing machine

實驗保證沖擊結構總質量不變，通過改變下落速度調控不同的沖擊能量。共進行5組能量的沖擊實驗，沖擊能量分別為30、50、100、150、200 J。

單個褶皺夾芯板試件尺寸約為130 mm×122 mm×22 mm，包含4×3個完整的單胞，在試驗機上用兩個內徑為76 mm的圓環夾緊，預夾持力為0.6 MPa。節點(波峰)指芯體頂部平臺和面板膠接部位，節點沖擊指沖頭沖擊此部位，如圖7(a)所示；基座(波谷)沖擊指沖頭沖擊兩節點間面板無支撐的長跨距中心，如圖7(b)所示。節點與基座兩個沖擊位置分別以SCS-A和SCS-B表示。

圖7 夾芯板沖擊位置Fig.7 Impact positions of sandwich panel

低能量沖擊時會出現沖頭無法擊穿夾芯板發生反彈的情況，落錘試驗機的防回落裝置可以防止反彈沖頭的二次沖擊。

2 實驗結果與分析

2.1 褶皺夾芯板沖擊失效機制分析

表2給出了落錘沖頭以不同能量沖擊節點位置時夾芯板的損傷形貌，可見沖擊能量對夾芯板的損傷模式具有顯著影響。當沖擊能量為30 J時，上面板產生形狀規則的圓形沖孔，孔徑的大小為20 mm，與沖頭直徑一致。上面板的穿透破壞呈脆性斷裂模式，其原因主要是環氧樹脂基體與碳纖維斷裂延伸率較低，材料在沖頭周邊被剪斷，其失效模式以纖維剪切斷裂為主。上面板產生的圓形片狀沖塞被沖頭壓入芯體中，其下方芯體被壓潰斷裂。在此沖擊能量下，面板與芯體分層現象較少。

表2 夾芯板沖擊節點位置時損傷模式Table 2 Failure modes of sandwich panels when impact position is node

當沖擊能量為50 J時，夾芯板上面板仍產生形狀規則的圓形沖孔。芯體發生拉伸斷裂失效，僅有靠近下面板一側芯體有少量殘留，但已失去承載能力。從夾芯板截面可見下面板與芯體頂部棱臺的粘接部位已脫粘，而下面板未見明顯損傷，這說明碳纖維的剛度及抗拉強度高，下面板與芯體之間的脫粘要早于下面板失效。下面板輕微隆起，但下面板內外兩側均未見損傷。

當沖擊能量達到100 J時，夾芯板被穿透。上面板與芯體的損傷模式未發生變化，沖擊區域的芯體已完全失效并脫離夾芯板。下面板損傷呈十字狀撕裂，損傷面積大于上面板沖孔面積。十字狀撕裂區域可見纖維束抽拔、斷裂以及分層損傷。

當沖擊能量為150 J與200 J時，夾芯板被穿透，上面板、芯體的損傷模式與100 J時沖擊情況相同。下面板呈T字狀撕裂，與100 J時的十字狀撕裂有所區別，即相鄰的一組破片并未產生裂紋而分開，而是作為一個整體被掀起，這種現象可能由以下情況造成：兩側粘接平臺導致下面板沖擊點周圍的邊界條件并不均勻。裂紋在方向，即芯子空腔通道方向易于發展；裂紋在方向發展被粘接平臺所阻礙。因此，在下面板的破壞過程中，先在方向上產生一字狀拉伸撕裂。一字狀拉伸撕裂兩側末端成為薄弱區域，粘接平臺提供力矩，面板再次向方向一側撕裂，使下面板被掀起。

表3給出了落錘沖頭沖擊基座位置時夾芯板的損傷形貌。當沖擊能量為30 J時，上面板產生規則的纖維剪切斷裂，沖塞面積與沖頭截面積相當，兩側粘接平臺遏制了沖孔周圍分層損傷的擴展。芯體發生拉伸斷裂，沖頭下方芯體分層損傷嚴重，這是由于基座沖擊下芯體呈V字形承載，芯體壁面在壓縮載荷下發生彎曲，如表3中箭頭a、b所指。芯體壁面彎曲時，a側壁面拉伸，b側壁面壓縮，導致此處壁面內產生的層間切應力大于層間結合力，進而出現分層現象。當沖擊能量為50 J時，上面板發生剪切沖塞，下面板發生拉伸撕裂破壞，芯體的彎曲分層現象更加嚴重，產生大量片狀碎片。當沖擊能量為100 J時，夾芯板上下面板完全斷裂破壞，基體破碎，芯體分層和拉伸斷裂，下面板拉伸撕裂損傷面積繼續增大。當沖擊能量達到150 J和200 J時，夾芯板被貫穿破壞，下面板逐漸呈現十字狀拉伸撕裂的特征，這是拉伸產生的損傷在面板內部沿纖維方向擴展導致的。

表3 夾芯板沖擊基座位置時損傷模式Table 3 Failure modes of sandwich panels when impact position is base

通過對比夾芯板兩種典型位置的沖擊情況，可發現節點沖擊與基座沖擊的上面板失效模式相同，說明無論上面板是否有支撐都未能改變其失效模式。下面板均為拉伸撕裂破壞，均存在基體開裂、纖維斷裂以及分層等損傷。但芯體的損傷存在區別，當沖擊能量為30 J時，節點沖擊下的芯體沒有彎曲、分層等現象，近似于脆性壓斷，所以節點沖擊產生的碎屑大多呈較小的塊狀；基座沖擊下的芯體先彎曲分層，再拉伸斷裂，導致產生的碎屑大多具有明顯分層損傷特征，碎屑較大且為片狀。此外，夾芯板內部芯體在厚度上占比達到了90%，芯層可通過逐步的壓潰變形、破碎吸收能量。節點沖擊相對基座沖擊的芯體破壞深度更淺。當沖擊能量為50 J時，節點沖擊時下面板微微隆起，具有承載能力，而基座沖擊時下面板已出現明顯的拉伸撕裂破壞，失去了承載能力。因此從夾芯板的損傷程度來看，節點位置較基座位置具有更高的抗沖擊能力。

2.2 沖擊能量對夾芯板低速沖擊響應特性的影響

由于夾芯板內部芯體結構的影響，夾芯板不同位置的抗沖擊性能及能量累積差別明顯。將未擊穿試件的能量定義為低能(30、50 J)，而將擊穿試件的能量定義為高能(100、150、200 J)。為減少噪聲、改善圖像質量，利用4階Savitzky-Golay濾波器處理節點沖擊與基座沖擊的載荷-位移數據。當沖擊能量比較低時，沖擊存在卸載階段，沖頭回彈，所以此階段對應的載荷-位移曲線沿軸負方向波動下降發展。圖8(a)對比了夾芯板節點位置受不同能量沖擊時的載荷-位移曲線，可將沖擊的加載過程分為3個階段。階段Ⅰ為沖頭開始接觸夾芯板直至擊穿上面板，此過程載荷急劇上升，迅速達到第1個峰值。隨著上面板發生剪切斷裂，載荷迅速降低。在階段Ⅰ，載荷-位移曲線幾乎與橫坐標垂直，說明碳纖維夾芯板剛度大、脆性很強。階段Ⅱ為芯體的破壞階段，芯體被逐步破壞，載荷在較低水平于小范圍內發生振蕩，曲線表現為鋸齒狀。這一芯體損傷擴展過程消耗了大量的沖擊能量，能量曲線增長穩定。沖擊能量高于100 J時，載荷-位移曲線進入階段Ⅲ，此時載荷已經均勻化，沒有明顯的峰值。當載荷達到下面板所能承受的極限后發生拉伸撕裂破壞，下面板破壞之后載荷逐漸降低。

圖8 不同沖擊能量下的載荷-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves under different impact energies

事實上，夾芯板被擊穿時主要失效模式存在3個階段，并且這與載荷-位移曲線的3個階段相對應。圖9(a)為沖擊夾芯板節點沖擊過程。在階段Ⅰ，上面板發生剪切斷裂，剪切斷口較為平整，上面板與芯體的粘接平臺在沖擊載荷的作用下發生脆性斷裂，平臺失效。階段Ⅱ為芯體破壞階段，沖頭在加載過程中通過上面板的沖塞將載荷施加在芯體壁面上，使兩側的芯子壁面在壓縮載荷的作用下發生脆性壓潰斷裂，伴隨有基體破碎、纖維斷裂等損傷。在階段Ⅲ，由于芯體的“人”字形構型，下面板在芯體壓潰的過程中承受載荷，存在損傷擴展與累積，造成下面板在沖頭到達時已經損傷嚴重，失去部分承載能力，這是圖8中階段Ⅲ載荷曲線均勻化的原因。最終，下面板發生拉伸撕裂破壞，在此階段還會發生下面板和芯子粘接平臺位置的脫粘損傷。

圖9 沖頭沖擊夾芯板不同位置的損傷機制Fig.9 Damage mechanism of punch impact sandwich panel at different positions

基座沖擊的載荷-位移曲線可以分為更為明顯的3個階段，如圖8(b)所示。當沖擊能量為30 J時，載荷-位移曲線主要位于階段Ⅰ，上面板發生剪切斷裂，形成沖塞。由于基座位置上面板無芯體支撐，曲線峰值遠低于節點沖擊時的峰值。對應沖擊能量為50 J，載荷-位移曲線可到達階段Ⅱ。 芯體發生損傷累積破壞，曲線較為平穩，小幅震蕩，這也說明芯體是通過逐步破壞吸收能量的。當沖擊能量大于100 J時，載荷-位移曲線可進入階段Ⅲ，由于節點與下面板共同作用，載荷曲線迅速上升，出現第2個波峰。隨著沖頭撕裂粘接平臺、擊穿下面板，載荷值迅速下降，此時沖頭與夾芯板間僅有摩擦消耗能量。此外，在50 J能量沖擊情況下第2個波峰出現較早，這是由于面-芯之間的粘接平臺未失效，部分芯體仍與下面板緊密結合，兩者結合增加了結構對沖頭的阻力，從而增大載荷峰值并使其提前出現，如表3所示。

圖9(b)為夾芯板基座沖擊過程，主要分為3個階段：階段Ⅰ——上面板發生剪切斷裂，沖孔周圍產生分層損傷；階段Ⅱ——芯體壁面發生損傷，沖頭作用在傾斜的壁面上，使其承受面外沖擊載荷，壁面屈曲彎折，最終發生拉伸斷裂破壞，此過程伴隨芯體壁面嚴重的分層損傷；階段Ⅲ——沖頭作用在下面板上，使下面板發生拉伸撕裂破壞，并伴隨纖維抽拔、斷裂等損傷形式。

圖10給出了夾芯板的能量吸收-時間曲線。低能沖擊時，夾芯板最大吸能都達到了沖頭預設能量值，但由于沖擊能量部分轉化為夾芯板的應變能，沖頭被反向推出沖孔，夾芯板應變能再次轉化為沖頭動能，所以夾芯板最終的能量吸收均有不同程度的降低。因此在低能沖擊條件下，沖頭動能部分轉化為夾芯板的應變能，部分由夾芯板破碎、斷裂、摩擦等形式耗散。隨后發生彈性卸載，沖頭回彈，夾芯板的彈性應變能又轉化為沖頭的動能，夾芯板能量吸收降低，曲線的最終能量吸收代表夾芯板總能量耗散。當沖擊能量較高時，夾芯板僅能吸收部分沖擊能量。在沖擊載荷的作用下，夾芯板彈性變形，最終超過應變極限發生斷裂、破碎。在沖擊過程中，存在沖頭動能轉變為夾芯板應變能，夾芯板部分應變能再通過斷裂、破碎的形式耗散的過程。沖頭穿透夾芯板后，無法將應變能轉化為沖頭動能，因此曲線的最終能量吸收包含夾芯板未釋放的應變能。

沖頭在完全穿透夾芯板后仍受到摩擦力的作用，傳感器并未停止記錄。因此根據夾芯板的最大變形對高能沖擊下的6組能量吸收曲線進行截取，截止沖頭位移為25.5 mm，得到不同沖擊能量下夾芯板最大吸能對比，如圖11所示。結合圖10 發現夾芯板在低能沖擊下均能完全吸收沖頭動能，沖擊位置對夾芯板最大吸能的影響不明顯。夾芯板在高能沖擊下，節點沖擊的最大吸能均明顯高于基座沖擊。原因可分為兩方面：一方面，節點沖擊時芯層為拱形承載，結構剛度更大，破壞所需能量也就更高；另一方面，節點沖擊與基座沖擊芯層的損傷模式不同，節點沖擊芯層的脆性斷裂比基座沖擊芯層的壓潰破壞消耗更多能量。此外，沖擊能量為100、150、200 J時，基座的最大吸能近乎相同，而節點沖擊的最大吸能隨著沖擊能量的增大而增大，節點沖擊最大吸能較基座沖擊分別提升了16.1%、17.5%和28.8%。

圖10 夾芯板能量吸收隨沖擊時間變化關系Fig.10 Variation relationship of energy absorption of sandwich panels with impact time

圖11 不同沖擊能量下夾芯板的最大吸能Fig.11 Maximum energy absorption of sandwich panels under different impact energies

2.3 沖擊位置對夾芯板低速沖擊響應特性的影響

夾芯板節點與基座位置在不同能量沖擊下的載荷-位移和能量吸收-位移曲線對比如圖12所示。當沖擊能量為30 J時，載荷曲線在沖擊開始階段急速上升，在上面板破壞過程中形成波峰，節點沖擊峰值明顯大于基座沖擊。隨后進入芯體的破壞階段，載荷波動較小。能量吸收曲線的上升段對應沖擊的加載階段。此情況下上面板被擊穿，芯體部分被破壞，節點沖擊的能量吸收速度在加載階段更快。沖擊能量在芯體破壞的過程中被耗盡，此時刻對應能量吸收曲線的最高點，節點沖擊與基座沖擊沖頭的最大位移分別為5.42 mm和12.53 mm。

當沖擊能量為50 J時，夾芯板節點沖擊的載荷-位移曲線迅速到達第1個峰值，然后降到較低的載荷水平波動，對應芯層破壞階段，沖頭剩余能量在芯層破壞階段耗盡。但是基座沖擊沖頭破壞了下面板，載荷出現了第2個峰值。能量吸收曲線的降低說明夾芯板未被完全破壞，仍存在沖擊的卸載階段，夾芯板的應變能轉化為沖頭的動能，將沖頭反向推出。節點沖擊與基座沖擊沖頭的最大位移分別為12.43 mm和19.45 mm。通過對低能沖擊的分析可發現在相同沖擊能量下，節點沖擊沖頭的最大位移小于基座沖擊，也就說明低能沖擊情況下節點沖擊夾芯板的破壞深度小于基座沖擊。

高能(100、150、200 J)沖擊下夾芯板均被擊穿，同一位置不同沖擊能量下的載荷-位移及能量吸收-位移曲線差異較小，夾芯板僅能吸收沖頭部分動能。觀察載荷-位移曲線可發現節點沖擊載荷曲線僅出現單峰，而基座沖擊會出現高度較為接近的雙峰，但節點沖擊的峰值要遠高于基座沖擊。此外，夾芯板節點沖擊的能量吸收-位移曲線均在基座沖擊曲線上方，表明相同沖擊能量下節點沖擊能量吸收更高。

通過圖12可發現夾芯板節點沖擊載荷曲線僅出現單峰，而基座沖擊載荷曲線會出現高度較為接近的雙峰，但節點沖擊載荷曲線的峰值遠高于基座沖擊載荷曲線。沖擊過程中載荷峰值及對應的沖頭位移如表4所示。

表4 載荷峰值及對應的沖頭位移Table 4 Peak load and corresponding punch displacement

圖12 不同沖擊能量下夾芯板的動態響應參數變化Fig.12 Variation of dynamic response parameters of sandwich panels under different impact energies

載荷峰值能反映褶皺夾芯結構不同位置抵抗沖擊的最大能力，節點沖擊和基座沖擊所承受的載荷峰值差距顯著，節點沖擊的載荷峰值比基座沖擊的載荷峰值高40%以上，尤其當沖擊能量為100 J時，提高率達到122.1%，如圖13所示。節點沖擊的載荷峰值遠大于基座沖擊，原因在于以下兩方面。一方面，從夾芯板結構分析，節點沖擊是面板和芯子共同承載的，并且內部芯子形成拱形結構對上面板起到支撐作用，整體剛度較大，使夾芯板所能承受的載荷峰值更大，而基座沖擊僅由單層面板承載，抗沖擊能力較弱。另一方面，從沖擊歷程分析，節點沖擊的起始點位置位于上面板與芯體連接處，此時芯體不存在損傷累積，夾芯板損傷擴展還不明顯，上面板與芯體共同抵抗沖擊，載荷容易迅速到達比較大的峰值。隨后，沖頭在加載過程中通過上面板的沖塞將載荷施加在芯體壁面上，使兩側的芯體壁面在壓縮載荷的作用下發生脆性斷裂。夾芯板在沖擊過程中損傷發展得很嚴重，存在損傷累積，使芯體與下面板損傷擴展速度高于沖頭沖擊速度，導致沖擊載荷均勻化，載荷出現反復的上升和下降。當沖擊能量比較大時，夾芯板在沖擊過程中損傷發展和累積得很嚴重。因此夾芯板節點沖擊時，沖擊載荷沒有出現明顯的第2個峰值。

圖13 不同沖擊能量下的載荷峰值Fig.13 Peak load under different impact energies

對于夾芯板基座沖擊，沖擊的起始點位置碳纖維含量最低，也不存在芯體的支撐作用，但此時上面板不存在損傷積累，因此沖擊載荷可迅速達到一個比較小的峰值。隨后沖擊載荷下降，主要為芯體發生破壞，沖頭通過上面板沖塞作用在芯體壁面上，芯體發生面彎曲折斷與拉伸斷裂破壞。需要注意的是，在沖頭沖擊芯體的過程中，下面板沒有發生明顯的損傷擴展及累積。因此夾芯板基座沖擊時，沖擊載荷出現了明顯的第2個峰值，并且夾芯板基座沖擊的兩個載荷峰值比較接近。

3 結 論

通過實驗研究了柱形沖頭低速沖擊下S型碳纖維褶皺夾芯結構的響應特性，分析了夾芯板失效模式，得到以下結論。

1) 夾芯板的上面板主要發生纖維剪切斷裂，產生規則的沖塞，而下面板為拉伸撕裂破壞，基體發生開裂與破碎、纖維斷裂以及分層等。芯層可通過逐步的壓潰變形、破碎吸收能量。節點沖擊下的芯體發生脆性壓潰斷裂，而基座沖擊下的芯體主要發生拉伸斷裂，存在分層。從夾芯板的損傷程度來看，節點位置較基座位置具有更高的抗沖擊能力。

2) 隨著沖擊能量的增加，夾芯板載荷響應過程可以明顯分為3個階段，與夾芯板主要失效模式的轉變相關。在低能沖擊下，夾芯板沖擊位置對其最大吸能的影響不明顯，并且夾芯板能量吸收隨沖擊能量的增加而增加。在高能沖擊下，節點沖擊的最大吸能均明顯高于基座沖擊，并且基座沖擊的最大吸能未隨沖擊能量的增加發生變化，而節點沖擊的最大吸能隨著沖擊能量的增大而增大。

3) 沖擊位置對夾芯板載荷響應特性存在影響，夾芯板節點沖擊載荷曲線僅出現單峰，而基座沖擊載荷曲線會出現高度較為接近的雙峰，但節點沖擊的載荷峰值明顯高于基座沖擊情況。