結構非對稱性對纖維金屬層板低速沖擊特性影響

孟祥劍 陳旭 肖鵬 陳東方

摘 要 本文針對兩種不同構型的非對稱纖維金屬層板（非對稱FMLs—雙層板和三層板），開展不同能量（10J、20J和50J）下的沖擊試驗，分析結構構型和沖擊能量水平對非對稱FMLs的沖擊響應、損傷類型和程度的影響，重點研究沖擊非對稱FMLs上下兩側產生的抗沖擊性能的差異。研究顯示，同一種FMLs兩側受到沖擊作用，FMLs的抗沖擊性能明顯不同；但隨著沖擊能量水平的提高，非對稱FMLs上下側面均受到沖擊作用所產生的沖擊載荷和損傷程度基本一致。

關鍵詞 非對稱纖維金屬層板；低速沖擊響應；沖擊性能；損傷分析

ABSTRACT In order to investigate impact performances for two different configurations of asymmetric fiber-metal laminates （asymmetric FMLs—bilayered FMLs and trilayered FMLs）， impact tests with different energies （10J， 20J and 50J） are carried out. The effects of structural configuration and impact energy level on the impact responses， damage types and degree of asymmetric FMLs are analyzed. The difference of impact resistance between the upper and lower sides of the asymmetric FMLs is mainly studied. The results show that the impact resistance of the same FMLs is obviously different when both sides of the FMLs are impacted separately. However， with the increase of impact energy level， the impact load and damage degree for the upper and lower sides of the asymmetric FMLs are almost the same.

KEYWORDS asymmetric fiber-metal laminates; low speed impact response; impact performance; damage analysis

1 引言

纖維金屬層板（FMLs）具備優異的抗疲勞和耐久性能，廣泛應用于航空航天[1，2]、汽車[3]、國防[4]等重要領域。但FMLs在低速沖擊下易產生各種損傷。這些損傷會大大削弱FMLs的承載性能，也限制了該類結構的推廣應用。FMLs抗沖擊性能受到纖維類型和鋪層方向、金屬層材料類型和鋪放位置、沖擊器直徑、鋪層方式、尺度效應和厚度效應等多種因素的影響。眾多專家學者借助大量試驗和數值方法進行了詳細研究。Bienias等[5]討論了纖維類型對FMLs抗沖擊性能影響，以及載荷-時間歷史、損傷面積和凹痕深度與不同沖擊能級之間的關系。得出結論，玻璃纖維的FMLs主要通過塑性變形和分層損傷吸收能量，而碳纖維的FMLs主要通過被穿透及穿孔的過程吸收沖擊能。Sadighi等[6]分析了金屬類型和厚度對FMLs沖擊響應的影響。研究發現，用鎂鋁取代鋁并不能在穿孔能量和凹痕深度方面產生改善，而增加鋁厚度可以改善FMLs的沖擊性能。Khan等[7]發現金屬層分布對分層損傷模式有較大影響。Fan等[8]改變FMLs厚度、直徑以及沖擊器半徑，對發生穿孔所需的能量具有較大的改善。Carrillo等[9]發現不同尺度的FMLs在低速沖擊作用下顯示出的變形破壞機制具有相似性。同時，最大沖擊力和到達最大載荷的時間對結構尺寸的敏感性較小。Zhu等[10]對單向和編織復合材料層合板研究顯示，編織纖維FMLs的變形呈對稱分布，而單向纖維FMLs的變形并無對稱特征。此外，對于Ti/GFRP層合板，非沖擊側（未受到沖擊的底面）鈦面板是否發生斷裂成為衡量此類層合板抗沖擊載荷的主要影響因素[11]。上述研究中FMLs截面沿厚度方向上均具有對稱特征，而關于非對稱結構FMLs沖擊行為描述的文獻相對較少。事實上，一些學者已經開發出鋼/橡膠/復合材料結構和雙層板等幾種非對稱混合結構，并對這些非對稱混合結構的動力/沖擊變形和破壞機制進行了試驗研究。Sarlin等[12]研究了沖擊能、橡膠厚度和金屬類型對鋼/橡膠/復合材料混合結構沖擊性能的影響。Yu等[13]討論了金屬層對復合材料層合板的防護機制。

本文通過試驗方法研究了沿厚度方向呈現非對稱特征FMLs的抗低速沖擊特性，對兩種非對稱FMLs進行了一系列沖擊試驗，對比了不同結構構型FMLs的抗沖擊性能；對FMLs的正反兩面進行了相同的沖擊試驗，確定正反不同面對低速沖擊的抵抗力和抗損傷能力。

2試件制備

非對稱FMLs的金屬層選用厚度為0.30mm（AL1）和0.50mm（AL2）的鋁合金2024-T3。碳纖維復合材料層合板由單向碳/環氧預浸料按[0°/90°]3和[0°/90°]4不同的堆疊順序制備而成。非對稱FMLs的結構為相同厚度的雙層和三層結構，如表1所示。將復合材料層合板與鋁合金層粘結，形成非對稱的FMLs，如圖1所示。

FMLs采用手工鋪層法制備，在固化過程中采用模壓法成型；采用鉻酸（CAA）對鋁合金層表面氧化膜進行處理，以提高鋁合金層與復合材料層合板間的結合性能。在鋁合金層表面涂上含緩蝕劑的膠膜。然后，在FMLs的表面施加0.5MPa的恒壓；固化周期由室溫升溫至130℃，升溫速率為2℃/min。而后，保持這個溫度2h，隨至自然冷卻到室溫。最后，用水射流切割機將這些FMLs切割成100mm×100mm的方形板。

3 試驗方法

本文采用落錘沖擊試驗設備進行低速沖擊試驗，如圖2所示。為了避免試件受到反復沖擊，沖擊器在沖擊后有一對氣動回彈捕捉器，以保證層合板試件僅受到一次沖擊作用。為防止試件的振動和滑動，方形試件用兩個內徑75mm的夾具固定。同時，夾具的壓力為0.5MPa。

本文采用直徑12mm、重量為13.2Kg的半球形鋼制沖擊器。通過調整沖擊器高度（77.3mm、154.6mm、385.8mm），本文實現10J、20J、50J三種典型沖擊能量工況。結合式沖擊器和十字頭的力傳感器可以測出沖擊力與時間、沖擊器位移與時間的關系。在沖擊過程中，記錄沖擊力、速度、位移和能量等試驗數據，以評估非對稱FMLs的沖擊響應。沿厚度方向的非對稱性為非對稱FMLs的最顯著特征，對抗沖擊性能的影響也進行了詳細探討。每種沖擊工況均進行3次沖擊試驗，并選取較為合理的一組數據。

4 試驗結果與討論

為了全面研究非對稱FMLs的低速沖擊特性，本文對非對稱雙層板和三層板在10J、20J和50J三種沖擊能量下進行了多次沖擊試驗。為便于描述沖擊工況類型，本文利用縮寫字母代表某些特定沖擊工況，如圖3所示。B-AL表示雙層板的鋁板受到沖擊器的沖擊工況；B-CL表示雙層板的復合材料層合板受到沖擊作用。同樣，T-HAL表示三層板中厚度為0.80mm的鋁板受到沖擊作用；T-BAL表示三層板厚度為0.30mm鋁板遭受沖擊的工況。一系列低速沖擊試驗展示了非對稱FMLs的抗沖擊能力及沖擊所引起的損傷問題。以研究沖擊能量、結構和沖擊側面對沖擊響應和破壞機制的影響。

4.1 10J沖擊能量試驗結果

非對稱雙層板與三層板在10J沖擊能作用下的沖擊響應試驗結果，如圖4所示。針對B-CL情況，圖4（a）沖擊載荷-時間曲線出現先低后高的雙峰現象。即沖擊載荷達到峰值之前有一個明顯的載荷下降階段。這預示著雙層板發生嚴重損傷。如圖5所示，鋁合金層與層合板界面發生大面積分層損傷，同時，復合材料層合板因沖擊作用引發明顯基體開裂。兩者損傷類型導致雙層板承載能力顯著下降，如圖4（a）所示。隨著沖擊器持續向下運動，鋁合金層逐漸起主要承載作用，進一步導致沖擊載荷再次上升。因此，針對10J沖擊能量下的B-CL工況，鋁合金層成為決定抗擊載荷峰值大小的主要因素。

沖擊區域附近的損傷形態如圖5和圖6所示。雙層板與三層板損傷表現為鋁合金層的塑性變形、鋁-復合材料界面的分層損傷和復合材料損傷。雙層板的整體損傷程度比三層板更嚴重。相對于三層板，雙層板的鋁合金層有更大的壓痕（B-AL）和凸起（B-CL），如圖5所示。鋁-復合材料層間的界面分層面積更大，如圖6所示。基體開裂和層間分層損傷更為明顯。在B-CL工況下，沖擊區域處的鋁合金層與復合材料層之間出現較大的開口。此外，由于沒有鋁板保護，復合材料的裂縫十分明顯。在B-AL工況下，開口形狀變得明顯不同。在鋁合金層最大變形位置處，鋁合金層與復合材料層合板之間依然接觸。這主要是由于鋁合金層的塑性變形限制了復合材料層合板的恢復變形。對于三層板，復合材料幾乎沒有損傷。在T-HAL工況下，大范圍的分層損傷以大開口的形式存在，而T-BAL工況下這種現象不明顯，但壓痕面積和深度明顯增大。根據對圖5和圖6中試件不同視角的損傷分析所得，在10J沖擊能量作用下，非對稱FMLs主要發生鋁-復合材料界面分層損傷，塑性變形也較為顯著，而復合材料損傷較為輕微。

4.2 20J沖擊能量試驗結果

當沖擊能量增加到20J時，非對稱FML吸收更多能量，如圖7（b）所示。圖7（a）顯示，雙層板沖擊響應曲線均出現先低后高的雙峰現象。即沖擊載荷在加載-時間曲線上突然下降，然后繼續增加至更高荷載水平。結合圖8所示，B-CL和B-AL中均出現纖維斷裂和嚴重的塑性變形。可以看出，纖維發生斷裂后，鋁合金層起主要承載作用。根據圖7（a）所示，B-AL、B-CL、T-HAL和T-BAL工況下的峰值載荷分別為4.53kN、4.52kN、5.08kN和5.18kN。結果表明，在20J沖擊能量下，對非對稱FMLs一側的沖擊作用所產生的沖擊載荷幅值基本一致，沖擊側的選取對沖擊峰值載荷影響較小，而三層板抗沖擊性能仍然優于雙層板。

從圖8和圖9可以看出，與10J沖擊能量下試件相比，20J沖擊能量使雙層板和三層板產生嚴重的鋁合金塑性變形和破壞性的復合材料損傷。尤其是雙層板中復合材料纖維沿厚度方向完全斷裂。這表明復合材料幾乎完全喪失了承載能力，導致雙峰現象產生。此外，在T-HAL工況下，底部薄鋁合金層由于彎曲變形較大，應變超過斷裂應變，在中心區域出現可見裂紋。

4.3 50J沖擊能量試驗結果

隨著沖擊能量進一步增加到50J，沖擊器完全穿透所有試樣，如圖10所示。沖擊載荷-時間曲線和沖擊載荷-位移曲線可分為上升階段、峰值階段和下降階段的特征。結合10J和20J沖擊能量的分析結果，當承載力快速增加時，雙層板和三層板試樣首先發生大規模鋁-復合材料分層損傷和鋁合金塑性變形，并伴有復合材料損傷。當鋁合金層出現裂紋時，非對稱FMLs的抗沖擊載荷突然下降，承載能力突然消失。隨后，沖擊載荷迅速減小到一個較小的穩定值。根據圖12所示，發生嚴重損傷的試件與持續運動的沖擊器之間具有較大摩擦力，引起試件在貫穿后仍然可測得一定的沖擊載荷。

三層板的沖擊載荷-時間曲線在上升階段幾乎呈線性，而雙層板在上升階段為斜率由大變小的雙線性組成。這一特征證實了雙層板抗彎能力弱于三層板。圖10（b）中各試樣吸收能力均小于50J。然而三層板達到完全破壞所吸收能量高于雙層板，但跟沖擊哪一側面相關性較小。此外，雙層板在B-CL和B-AL工況中的峰值載荷約為5.03kN，而三層板在T-HAL和T-BAL中的峰值載荷約為5.50kN。結合三種能量沖擊下的峰值載荷，如圖13所示，三層板的沖擊載荷峰值基本大于雙層板。

圖11和圖12中詳細的展示出沖擊器在穿透試件后的復雜損傷形貌。斷裂的纖維從基體中拔出；鋁合金層在貫穿孔邊緣處受到擠壓并減薄；在非沖擊側，鋁合金層發生過度彎曲變形和裂紋擴張，進而出現花瓣狀開裂形式。結合圖7、圖8、圖10和圖11中試驗結果，隨著沖擊能量的提高，非對稱FMLs的損傷情況由鋁-復合材料層間分層和鋁合金層塑性變形，逐漸轉向纖維斷裂和鋁合金層塑性變形大面積擴展。達到FMLs抗沖擊能力極限后，多種失效類型全部出現，且穿孔成為最明顯的形貌特征，而在B-CL工況中除外。復合材料在損傷后可恢復部分變形，同時，由于分層緣故，鋁合金層沒有限制這種恢復變形。

5 結語

本文通過試樣試驗測試，研究了非對稱FMLs的抗低速沖擊能力。針對兩種不同構型的非對稱FMLs（雙層板和三層板），探討在10J、20J和50J沖擊能量作用下非對稱FMLs結構的落錘沖擊響應和損傷類型。為便于分析，針對非對稱FMLs上下兩側的沖擊工況分別定義，結合B-AL、B-CL、T-HAL和T-BAL工況結果，研究結構的非對稱性對FMLs的沖擊特性和損傷演化方面的影響。根據上述試驗結果，可得出以下結論：

（1）在較低沖擊能量（10J）作用下，非對稱FMLs的抗沖擊性能優劣與沖擊側的選取密切相關；在20J和50J沖擊能量下，選擇哪一側承受沖擊作用對雙層板和三層板的沖擊峰值載荷影響較小，但對損傷形貌具有一定的影響。

（2）結合沖擊響應曲線，相對于雙層板結果，三層板彎曲剛度大、載荷峰值高、吸收能量少；因此，三層板結構的抗沖擊性能優于雙層板結構。

（3）在10J沖擊下，非對稱FMLs的損傷以鋁-復合材料層間分層和鋁合金層塑性變形為主；20J沖擊下，非對稱FMLs主要通過纖維斷裂和鋁合金層塑性變形大面積擴展進行吸收能量；50J沖擊下，FMLs出現破壞性損傷，發生明顯的穿孔特征。

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