含沖擊損傷復合材料壁板壓縮強度試驗研究

趙 鑫，盧興民，田阿利

(1.中國商飛項目中心，上海 210012；2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212100)

0 引言

復合材料具有輕質、耐疲勞及良好的可設計性等優點，已廣泛應用于航空航天、船舶等交通領域[1]。在實際應用中，盡管其強度和比剛度都遠超一般的鋁合金，然而在受到各種物體碰撞時，界面的損傷同樣會導致整體結構剩余強度的顯著下降，從而降低了結構化復合材料的安全性[2]。鑒于該工作的理論和實踐意義，本文關注低速高強度沖擊損傷下復合材料的剩余強度研究。

對于復合材料沖擊后的壓縮強度問題，國內外學者已采用試驗進行了大量的研究，根據產生損傷的沖擊能量主要分為低速沖擊和高速沖擊兩類。在低速沖擊情況下，針對不同鋪層方式下復合材料夾芯結構，孫子恒等[3]研究了其低速沖擊后的剩余強度，并分析了沖擊后的壓縮強度和失效形式。Da Liu 等[4]通過低速沖擊試驗的方式，開展復合材料加筋板損傷后壓縮剩余強度研究，分析了沖擊損傷位置對壓縮剩余強度的影響。對于溫度對含損傷復合材料的剩余壓縮強度的影響，Mathilde 等[5]對Nomex 蜂窩夾芯碳/環氧復合夾層板室溫下進行低速沖擊，得出溫度對含沖擊損傷復合材料板的壓縮剩余強度影響并不明顯。除此之外，高速沖擊下的損傷研究也是一個重要課題。Luv Verma 等[6]研究了偽彈性形狀記憶合金嵌入玻璃/環氧復合材料層合板的高速沖擊損傷及剩余壓縮強度。

限于試驗高成本和不可重復性，低消耗高效率的仿真方法已受到廣泛關注。仿真的主要目的是建立復合材料沖擊損傷后的剩余強度預報模型。黃驍等[7]提出了一種基于沖擊能量預測復合材料層板受沖擊后剩余壓縮強度的經驗預測公式。盛鳴劍等[8]在分析CCF300/5428 復合材料層合板遭受不同能量等級低速沖擊后壓縮強度試驗數據的基礎上，提出一種基于廣義回歸神經網絡技術的低速沖擊后壓縮強度估算模型；文獻[9–10]對復合結構沖擊后壓縮強度采用數值仿真和反方法提出了預報模型。

雖然復合材料鋪層方式對結構性能影響顯著[11–14]，但目前對鋪層方式等復合材料結構特性對沖擊損傷后壓縮剩余強度的影響研究很少。同時，復合材料壁板的壓縮破壞計算及其機械維修性能，國內尚沒有完整的體系或數據支撐，因此開展復合材料沖擊損傷后結構剩余強度等方面的試驗、仿真研究，對復合材料的應用和結構安全結構評估至關重要。

本文以復合材料壁板結構為研究對象，通過實尺寸模型壓縮試驗研究方法，開展沖擊損傷后結構的壓縮強度分析，研究沖擊損傷、鋪層方式等對復合材料壁板剩余壓縮強度的影響。

1 低速沖擊損傷

1.1 分析部位及構型

目標壁板均為層合板復合材料結構，如圖1 所示。復合材料蒙皮用預浸料與熱壓罐成型工藝制造，通過圖1 中的桁條進行加強，將主要承受壓縮載荷和剪切載荷，并要求滿足沖擊載荷的設計規范。試件的鋪層方式如表1 所示。

圖1 復合材料壁板示意圖Fig.1 Sketch map of composite material panels

表1 試件鋪層方式Tab.1 Layer ways of test samples

1.2 落錘沖擊試驗方案

在4 個不同位置同時測量縱向應變（圖2 試件兩表面2 個背靠背位置），來保證施加純壓縮載荷，并檢測彎曲或屈曲。在任一試件上，對所有的應變測量，均采用相同型號的應變傳感器。應變片與試件的連接不應對試件表面產生損傷。

圖2 試驗測試貼片示意圖Fig.2 Sketch map of test paster

采用CLC-A 落錘沖擊試驗機，選用16 mm 半徑的半球形落錘沖頭，沖擊能量為6.7 J/mm 對試件進行低速沖擊。

1.3 落錘沖擊損傷

落錘沖擊試驗完成后，采用UPK-T36 超聲波水浸式超聲C 掃描系統對落錘沖擊后的試件進行損傷檢測，沖擊損傷如圖3 所示。

圖3 試件損傷C 掃結果Fig.3 Result of damage C-Mode SAM

利用游標卡尺對試件凹坑深度進行測量，對沖擊損傷面積進行測量計算。按不同鋪層方式進行分組，每一種鋪層方式共包含6 個試件，剔除無效數據后取6 次試驗平均值作為每組試驗的結果。不同鋪層方式的復合材料試件沖擊損傷結果如表2 所示，其中D 為凹坑深度，mm；S 為損傷面積，mm2。從表中可知，A 類鋪層方式的復合材料壁板沖擊損傷深度和面積均較小。

表2 沖擊損傷深度與面積（單位：mm）Tab.2 Depth &area of impact damage (unit: mm)

2 損傷后剩余壓縮強度分析

試件裝夾按照 ASTM D7137 標準執行，如圖4 所示。壓縮加載試驗前，將試件安裝在壓縮剩余強度夾具上，使試件的加載端與夾具的上下兩半端頭平齊，保證損傷位置處于夾具的中軸線上。用連接到角板的側板和連接到底板的滑動板來支持試驗件，通過調節各個緊固螺栓的縮進來保證對中要求。確認對中后，擰緊所有側板和頂板支持，防止試驗件發生失穩破壞，并開始預加載和正式試驗。試驗采用位移加載，壓縮加載速率為0.5 mm/min，所有試驗均以峰值下降30%為標準終止試驗。

圖4 壓縮試驗件加載圖Fig.4 Loading map of compressing test

表3 給出了3 種鋪層方式的試件，不含沖擊損傷和包含沖擊損傷的壓縮剩余強度試驗結果。可以看出，沖擊損傷的存在，造成復合材料壁板結構的承載力和壓縮強度下降明顯，其中沖擊損傷較大的C 類鋪層壁板的剩余承載力和壓縮強度下降最多，降低了26.4%，而沖擊損傷最小的A 類鋪層壁板剩余承載力下降最少，降低了7.8%。

表3 壓縮強度試驗件試驗結果表Tab.3 Result of compressing test

圖5 對比了不同鋪層方式下含有沖擊損傷試件的面內壓縮位移與承載力曲線關系。可以看出，A 類和B 類鋪層方式的壓縮性能曲線較為接近，而C 類鋪層方式的彈性模量較小，且強度較低。結合表3 中不同鋪層方式的壓縮強度仿真與試驗結果，可以看出，不同的鋪層形式對試件沖擊損傷后的破壞荷載和壓縮強度均有影響。

圖5 鋪層方式對試件承載力的影響Fig.5 Influence of bearing capacity by way of layer

觀察結構壓縮破壞形式，可以發現鋪層方式對結構破壞形式影響較弱。含沖擊損傷試件的破壞形式為在壁板沖擊損傷處發生破壞，破壞位置出現明顯纖維褶皺、纖維分層等現象。圖6 為含有沖擊損傷的試件壓縮破壞形式仿真與試驗結果對比圖，兩者吻合較好。

圖6 含沖擊損傷試驗壓縮破壞形式Fig.6 Compression failure with impact damage

3 結語

復合材料是由2 種或2 種以上不同性質材料組成的具有新性能的材料，因此其結構力學性能與組成方式密切相關。本文以復合材料壁板結構為研究對象，考慮沖擊損傷影響，開展復合材料壁板鋪層方式、沖擊損傷等重要因素對結構壓縮強度的影響研究，根據試驗結果可以得出以下結論：

1）鋪層形式對試件的壓縮承載能力和壓縮強度有顯著影響；但對復合材料壁板結構的破壞模式影響較弱，均為在壁板沖擊損傷處發生破壞，破壞位置出現明顯纖維褶皺、纖維分層。

2）相同的鋪層形式下，沖擊損傷對試件的壓縮承載能力有較大的影響，且沖擊損傷越嚴重，壓縮承載力越弱。其中以C 類鋪層為例，含沖擊損傷的復合材料壁板壓縮強度下降了26.38%。