2022, Vol. 44
2. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212100
2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212100, China
复合材料具有轻质、耐疲劳及良好的可设计性等优点，已广泛应用于航空航天、船舶等交通领域[1]。在实际应用中，尽管其强度和比刚度都远超一般的铝合金，然而在受到各种物体碰撞时，界面的损伤同样会导致整体结构剩余强度的显著下降，从而降低了结构化复合材料的安全性[2]。鉴于该工作的理论和实践意义，本文关注低速高强度冲击损伤下复合材料的剩余强度研究。
对于复合材料冲击后的压缩强度问题，国内外学者已采用试验进行了大量的研究，根据产生损伤的冲击能量主要分为低速冲击和高速冲击两类。在低速冲击情况下，针对不同铺层方式下复合材料夹芯结构，孙子恒等[3]研究了其低速冲击后的剩余强度，并分析了冲击后的压缩强度和失效形式。Da Liu 等[4]通过低速冲击试验的方式，开展复合材料加筋板损伤后压缩剩余强度研究，分析了冲击损伤位置对压缩剩余强度的影响。对于温度对含损伤复合材料的剩余压缩强度的影响，Mathilde等[5]对Nomex蜂窝夹芯碳/环氧复合夹层板室温下进行低速冲击，得出温度对含冲击损伤复合材料板的压缩剩余强度影响并不明显。除此之外，高速冲击下的损伤研究也是一个重要课题。Luv Verma等[6]研究了伪弹性形状记忆合金嵌入玻璃/环氧复合材料层合板的高速冲击损伤及剩余压缩强度。
限于试验高成本和不可重复性，低消耗高效率的仿真方法已受到广泛关注。仿真的主要目的是建立复合材料冲击损伤后的剩余强度预报模型。黄骁等[7]提出了一种基于冲击能量预测复合材料层板受冲击后剩余压缩强度的经验预测公式。盛鸣剑等[8]在分析CCF300/5428复合材料层合板遭受不同能量等级低速冲击后压缩强度试验数据的基础上，提出一种基于广义回归神经网络技术的低速冲击后压缩强度估算模型；文献[9-10]对复合结构冲击后压缩强度采用数值仿真和反方法提出了预报模型。
虽然复合材料铺层方式对结构性能影响显著[11-14]，但目前对铺层方式等复合材料结构特性对冲击损伤后压缩剩余强度的影响研究很少。同时，复合材料壁板的压缩破坏计算及其机械维修性能，国内尚没有完整的体系或数据支撑，因此开展复合材料冲击损伤后结构剩余强度等方面的试验、仿真研究，对复合材料的应用和结构安全结构评估至关重要。
本文以复合材料壁板结构为研究对象，通过实尺寸模型压缩试验研究方法，开展冲击损伤后结构的压缩强度分析，研究冲击损伤、铺层方式等对复合材料壁板剩余压缩强度的影响。
1 低速冲击损伤 1.1 分析部位及构型目标壁板均为层合板复合材料结构，如图1所示。复合材料蒙皮用预浸料与热压罐成型工艺制造，通过图1中的桁条进行加强，将主要承受压缩载荷和剪切载荷，并要求满足冲击载荷的设计规范。试件的铺层方式如表1所示。
|
图 1 复合材料壁板示意图 Fig. 1 Sketch map of composite material panels |
|
表 1 试件铺层方式 Tab.1 Layer ways of test samples |
在4个不同位置同时测量纵向应变（图2试件两表面2个背靠背位置），来保证施加纯压缩载荷，并检测弯曲或屈曲。在任一试件上，对所有的应变测量，均采用相同型号的应变传感器。应变片与试件的连接不应对试件表面产生损伤。
|
图 2 试验测试贴片示意图 Fig. 2 Sketch map of test paster |
采用CLC-A落锤冲击试验机，选用16 mm半径的半球形落锤冲头，冲击能量为6.7 J/mm对试件进行低速冲击。
1.3 落锤冲击损伤落锤冲击试验完成后，采用UPK-T36超声波水浸式超声C扫描系统对落锤冲击后的试件进行损伤检测，冲击损伤如图3所示。
|
图 3 试件损伤C扫结果 Fig. 3 Result of damage C-Mode SAM |
利用游标卡尺对试件凹坑深度进行测量，对冲击损伤面积进行测量计算。按不同铺层方式进行分组，每一种铺层方式共包含6个试件，剔除无效数据后取6次试验平均值作为每组试验的结果。不同铺层方式的复合材料试件冲击损伤结果如表2所示，其中D为凹坑深度，mm；S为损伤面积，mm2。从表中可知，A类铺层方式的复合材料壁板冲击损伤深度和面积均较小。
|
|
表 2 冲击损伤深度与面积（单位：mm） Tab.2 Depth & area of impact damage (unit: mm) |
试件装夹按照 ASTM D7137 标准执行，如图4所示。压缩加载试验前，将试件安装在压缩剩余强度夹具上，使试件的加载端与夹具的上下两半端头平齐，保证损伤位置处于夹具的中轴线上。用连接到角板的侧板和连接到底板的滑动板来支持试验件，通过调节各个紧固螺栓的缩进来保证对中要求。确认对中后，拧紧所有侧板和顶板支持，防止试验件发生失稳破坏，并开始预加载和正式试验。试验采用位移加载，压缩加载速率为0.5 mm/min，所有试验均以峰值下降30%为标准终止试验。
|
图 4 压缩试验件加载图 Fig. 4 Loading map of compressing test |
表3给出了3种铺层方式的试件，不含冲击损伤和包含冲击损伤的压缩剩余强度试验结果。可以看出，冲击损伤的存在，造成复合材料壁板结构的承载力和压缩强度下降明显，其中冲击损伤较大的C类铺层壁板的剩余承载力和压缩强度下降最多，降低了26.4%，而冲击损伤最小的A类铺层壁板剩余承载力下降最少，降低了7.8%。
|
|
表 3 压缩强度试验件试验结果表 Tab.3 Result of compressing test |
图5对比了不同铺层方式下含有冲击损伤试件的面内压缩位移与承载力曲线关系。可以看出，A类和B类铺层方式的压缩性能曲线较为接近，而C类铺层方式的弹性模量较小，且强度较低。结合表3中不同铺层方式的压缩强度仿真与试验结果，可以看出，不同的铺层形式对试件冲击损伤后的破坏荷载和压缩强度均有影响。
|
图 5 铺层方式对试件承载力的影响 Fig. 5 Influence of bearing capacity by way of layer |
观察结构压缩破坏形式，可以发现铺层方式对结构破坏形式影响较弱。含冲击损伤试件的破坏形式为在壁板冲击损伤处发生破坏，破坏位置出现明显纤维褶皱、纤维分层等现象。图6为含有冲击损伤的试件压缩破坏形式仿真与试验结果对比图，两者吻合较好。
|
图 6 含冲击损伤试验压缩破坏形式 Fig. 6 Compression failure with impact damage |
复合材料是由2种或2种以上不同性质材料组成的具有新性能的材料，因此其结构力学性能与组成方式密切相关。本文以复合材料壁板结构为研究对象，考虑冲击损伤影响，开展复合材料壁板铺层方式、冲击损伤等重要因素对结构压缩强度的影响研究，根据试验结果可以得出以下结论：
1）铺层形式对试件的压缩承载能力和压缩强度有显著影响；但对复合材料壁板结构的破坏模式影响较弱，均为在壁板冲击损伤处发生破坏，破坏位置出现明显纤维褶皱、纤维分层。
2）相同的铺层形式下，冲击损伤对试件的压缩承载能力有较大的影响，且冲击损伤越严重，压缩承载力越弱。其中以C类铺层为例，含冲击损伤的复合材料壁板压缩强度下降了26.38%。
| [1] |
韦兴宇, 熊健, 王杰, 等. 纤维增强复合材料蜂窝结构的研究进展[J]. 中国科学:技术科学, 2020(8): 1123-1124. |
| [2] |
陈涛. 缝合复合材料加筋板受冲击损伤后剩余压缩强度研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2016.
|
| [3] |
孙子恒, 王继辉, 倪爱清, 等. 不同铺层复合材料夹芯结构低速冲击与冲击后剩余强度研究[J]. 复合材料科学与工程, 2020(11): 102-111. DOI:10.3969/j.issn.1003-0999.2020.11.017 |
| [4] |
LIU Da, BAI Rui-xiang, LEI Zhen-kun, et al. Experimental and numerical study on compression-after-impact behavior of compo- site panels with foam-filled hat-stiffener[J]. Ocean Engineering, 2020, 198: 106991. DOI:10.1016/j.oceaneng.2020.106991 |
| [5] |
Mathilde Jean-St-Laurent, Marie-Laure Dano, Marie-Josée Potvin. Compression after impact behavior of carbon/epoxy composite sandwich panels with Nomex honeycomb core subjected to low velocity impacts at extreme cold temperatures[J]. Composite Structures, 2021, 261: 113516. DOI:10.1016/j.compstruct.2020.113516 |
| [6] |
LUV V, ANDREW J J, SRINIVASAN M S, et al.. Compression after high-velocity impact behavior of pseudo- elastic shape memory alloy embedded glass/ epoxy composite laminates[J]. Composite Structures, 2021, 259: 113519. DOI:10.1016/j.compstruct.2020.113519 |
| [7] |
黄骁, 王进, 韩涛, 等. 复合材料层板冲击后压缩强度经验预测公式[J]. 复合材料学报, 2018(5): 1158-1165. |
| [8] |
盛鸣剑, 陈普会, 钱一彬. 一种复材层合板低速冲击后压缩强度估算方法[J]. 上海交通大学学报, 2019(10): 1182-1186. DOI:10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.10.006 |
| [9] |
OUYANG Tian, BAO Rui, SUN Wei, et al. A fast and efficient numerical prediction of compression after impact (CAI) strength of composite laminates and structures[J]. Thin- Walled Structures, 2020, 148: 106588. DOI:10.1016/j.tws.2019.106588 |
| [10] |
LI Wei-ping, NIE Hong. Predicting post-impact compression strength of compo- site structures using the inverse method[J]. Composite Structures, 2020, 245: 112348. DOI:10.1016/j.compstruct.2020.112348 |
| [11] |
KUPSKI J, Freitas S T, Zarouchas D, et al. Composite layup effect on the failure mechanism of single lap bonded joints [J], Composite Structures, 2019, 217: 14−26.
|
| [12] |
毛振刚, 侯玉亮, 李成, 等. 搭接长度和铺层方式对CFRP复合材料层合板胶接结构连接性能和损伤行为的影响[J]. 复合材料学报, 2020, 37(1): 121-132. |
| [13] |
L. Francesconi, F Aymerich. Effect of Z-pinning on the impact resistance of compo- site laminates with different layups [J]. Composites Part A. 2018, 114: 136-148.
|
| [14] |
Zhenyu Wu, Lin Shi, Xiaoying Cheng, et al. Transverse impact behavior and residual axial compression characteristics of braided composite tubes: Experimental and numerical study[J]. International Journal of Impact Engineering, 2020, 142: 103578. DOI:10.1016/j.ijimpeng.2020.103578 |