纖維纏繞角度對(duì)CFRP-Al混合圓管橫向受載性能影響

孫佳睿 馬其華， 甘學(xué)輝 孫澤玉

（1 上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

（2 纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東華大學(xué)），上海 201620）

文 摘 基于準(zhǔn)靜態(tài)橫向彎曲試驗(yàn)對(duì)纏繞工藝下制備的CFRP／Al混合圓管進(jìn)行抗彎性能和吸能特性研究，分析了混合圓管的破壞模式，基于不同纖維纏繞角度的碳纖維復(fù)合材料-鋁合金混合圓管三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果，通過有限元仿真方法研究了內(nèi)層纖維纏繞角度對(duì)其橫向抗彎與吸能特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP-Al混合圓管橫向載荷下的失效形式、損傷模式與純鋁管基本保持一致，但受纖維纏繞角度的影響失效形貌略有差異。纖維纏繞角度越小，CFRP-Al混合圓管的抗彎性能和吸能性越好，同時(shí)壓潰效率（CFE）明顯降低?；隍?yàn)證的有限元模型，研究不同角度纖維纏繞內(nèi)層對(duì)于表層纖維層的應(yīng)力傳遞影響，小角度纏繞內(nèi)層對(duì)于管件的軸向拉伸變形抑制增加了管件整體峰值載荷與吸能作用，大角度纏繞內(nèi)層對(duì)于管件環(huán)向剛度的提升增加了整體壓潰效率。依此分析可為合理設(shè)計(jì)CFRP-Al混合管提供有效依據(jù)。

0 引言

薄壁構(gòu)件作為典型的緩沖吸能結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于航空、汽車等交通領(lǐng)域中。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高和比模量高等特點(diǎn)已成為飛行器的重要組成材料。但CFRP在極限載荷條件下的失效復(fù)雜、不穩(wěn)定，易受結(jié)構(gòu)的幾何形狀［1］、觸發(fā)機(jī)制［2］、加載方式［3］以及鋪層設(shè)計(jì)［4］等諸多因素影響。而鋁合金具有良好的延展性，失效模式穩(wěn)定，為保證結(jié)構(gòu)的可靠性，采用CFRP與鋁合金相結(jié)合制成的結(jié)構(gòu)件，兼顧金屬性能穩(wěn)定、CFRP材料輕量化等特點(diǎn)，同時(shí)通過金屬成熟的連接工藝解決了CFRP構(gòu)件連接困難的問題，因此兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的混合結(jié)構(gòu)具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，復(fù)合材料／金屬混合結(jié)構(gòu)的GLARE板的國內(nèi)外研究已比較全面［5-7］，而薄壁管件作為交通運(yùn)輸工具中主要吸能緩沖裝置［8］，其混合結(jié)構(gòu)的研究尚處于起步階段，國內(nèi)外研究人員從試驗(yàn)和仿真方面分析了軸向方向下混合管的準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊下吸能特性與觸發(fā)機(jī)制、結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)以及復(fù)合材料設(shè)計(jì)工藝的關(guān)系［9-13］。而在飛機(jī)事故中，主要是受到側(cè)面的墜撞破壞，對(duì)其進(jìn)行側(cè)向適墜性設(shè)計(jì)可以保護(hù)乘客的安全［14］。目前在混合結(jié)構(gòu)薄壁管件在橫向受載下的研究方面較少［15-16］，因此研究混合薄壁管件在橫向載荷下的失效模式與吸能機(jī)理意義重大。

本文基于準(zhǔn)靜態(tài)橫向彎曲試驗(yàn)對(duì)纏繞工藝下制備的CFRP／Al混合圓管進(jìn)行抗彎性能和吸能特性研究，分析了混合圓管的破壞模式，通過有限元模型分析CFRP內(nèi)外層應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，討論了不同纖維纏繞角度對(duì)CFRP／Al混合圓管力學(xué)性能和吸能特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件

1.1.1 原材料

AA6063T6鋁合金；T700-12K碳纖維，日本東麗株式會(huì)社；BAC172環(huán)氧樹脂，浙江百合航太有限公司。原材料性能見表1。

表1 A l6063T6和T700／BAC172的材料性能Tab.1 Material properties of the T700／BAC172 and Al6063T6

1.1.2 制備工藝

在進(jìn)行纏繞之前，鋁圓管的外表面使用砂紙打磨拋光來提高CFRP／Al混合管中Al和CFRP之間的結(jié)合強(qiáng)度。將打磨后的鋁管浸泡在丙酮中進(jìn)行清洗，去除表面雜物。通過圖1所示的濕法纏繞工藝將CFRP預(yù)浸料帶纏繞在清洗后的鋁管上，θ為纏繞角，其中0°為沿管的軸向方向。將纏繞好的混合管用真空袋密封好放置于烘箱中固化成型。以預(yù)浸料中過量的樹脂作為膠黏劑，實(shí)現(xiàn)CFRP和鋁管之間的粘結(jié)。

圖1 CFRP／Al混雜管的制備Fig.1 Manufacture of CFRP／Al hybrid tube

1.1.3 試件尺寸

鋁管管長300 mm、外徑38 mm及壁厚1.5 mm?？紤]到纏繞工藝及本纏繞機(jī)特點(diǎn)，確定27°／-27°為工藝可靠最小纏繞角。故設(shè)計(jì)了四種外徑均為41mm，碳纖維復(fù)合材料纏繞6層的混合管，其詳細(xì)幾何參數(shù)尺寸見表2。

表2 樣件的幾何參數(shù)Tab.2 Geometric parameters of specimens

1.2 準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎試驗(yàn)

CFRP／Al混合管式樣的三點(diǎn)彎試驗(yàn)如圖2所示，采用最大配載為100 kN的LD26.10萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程中加載輥的加載速率為10 mm／min，設(shè)置每個(gè)樣件的最終加載位移為50mm。試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步記錄載荷-位移曲線，并計(jì)算得到所需的評(píng)價(jià)性能指標(biāo)。

圖2 CFRP／Al混合管三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic of three point bending test for CFRP／Al hybrid tube

1.3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

分別以總吸收能量（EA）、載荷峰值（pmax）、平均載荷（pmean）、壓潰效率（CFE）和比吸能（SEA）對(duì)比評(píng)價(jià)不同混合管受載結(jié)果。其中：

EA測量的是加載過程中結(jié)構(gòu)吸收的總應(yīng)變能，其計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)（x）為瞬時(shí)加載力，d為加載位移。

pmax可以從曲線中直接得到，平均載荷pmean計(jì)算如下：

CFE用來測量加載力的均勻性，是平均載荷和載荷峰值的比值，如下

SEA是單位質(zhì)量吸收的能量，用來評(píng)估結(jié)構(gòu)的能量吸收的質(zhì)量效率，其公式如下：

式中，m為樣件的質(zhì)量，顯然較高的比吸能表明該結(jié)構(gòu)具有較高的能量吸收效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同薄壁混合管的失效變形模式

CFRP／Al混合管的試驗(yàn)跨距與混合管的外徑比值約為6.03（大于5），滿足準(zhǔn)純彎曲條件，可忽略剪切應(yīng)力的影響。

金屬管在橫向受載作用下的兩種失效模式［17］：一種是塑性鉸形成的穩(wěn)定塌陷模式，一種是在拉伸側(cè)具有裂紋擴(kuò)展的不穩(wěn)定塌陷模式，斷裂模式取決于彈性模量、屈服強(qiáng)度和梁壁厚的幾何參數(shù)。由于鋁管的徑厚比在為25.33（大于20），屬于穩(wěn)定塌陷模式的范圍內(nèi)。薄壁鋁圓管的三點(diǎn)彎穩(wěn)定塌陷變形模式主要分3個(gè)階段：壓入階段、壓入彎曲階段和結(jié)構(gòu)塌陷。如圖3所示，鋁管和混合管的載荷-位移曲線對(duì)比可知，兩者受載過程大體一致。第一階段的線彈性階段，由于纖維增強(qiáng)層的加強(qiáng)作用，材料的彈性模量明顯提升，混合管的承載性明顯高于鋁管。第二階段的塑性屈曲階段，可以看出纏繞層不僅增強(qiáng)了管件的屈曲極限載荷，并使屈曲破壞得到了延遲。這一結(jié)果表明纏繞纖維層對(duì)于原鋁管的塑性增強(qiáng)作用非常明顯，峰值載荷提升了128%。第三階段的持續(xù)壓潰過程，由于內(nèi)部鋁管的塑性變形導(dǎo)致外層纖維形成漸進(jìn)性失效，抑制了鋁管塑性鉸的形成，使得載荷下降緩慢，形成了更高的承載能力。

圖3 鋁管和混合管載荷位移曲線Fig.3 Load displacement curves of Al tube and hybrid tube

從兩種管最終的失效模式（圖4）可以看出混合管表層的纖維損傷對(duì)于內(nèi)部鋁管層的承載性的增強(qiáng)作用，鋁管結(jié)構(gòu)的橫向受載變形較混合管更為明顯。

圖4 鋁管和混合管損傷形式對(duì)比Fig.4 Damage form of Al tube and hybrid tube

混合管在橫向載荷作用下，兩種不同的變形行為如圖5所示。一種是外部復(fù)合材料層直接受壓縮載荷作用產(chǎn)生變形，其變形受金屬塑性變形影響而受到限制，此時(shí)復(fù)合材料不會(huì)斷裂且與鋁管共同承受橫向載荷吸收能量；另外一種情況則是受橫向載荷的作用，在管件背面部分，外部復(fù)合材料層因拉伸載荷進(jìn)而發(fā)生斷裂，此時(shí)復(fù)合材料不再承受載荷和能量吸收，只由鋁層吸收。由于CFRP層抗變形能力突出，因而混合管件在橫向載荷作用下的吸能性顯著提高，同時(shí)不同復(fù)合材料層對(duì)于管件整體性能的影響存在差異。

圖5 混合管受力示意圖Fig.5 Schematic diagram of the CFRP-AL tube

圖6為4種纏繞方式混合管的受拉面損傷對(duì)比結(jié)果。可以看出，混合管表面破壞形貌主要為表層的纖維剝離和纖維之間的基體開裂，而表面受拉伸作用下CFRP產(chǎn)生裂紋，且裂紋方向沿內(nèi)部纖維纏繞角度（27°、45°、75°和90°）的方向產(chǎn)生并擴(kuò)展。由于在橫向載荷作用下，復(fù)合材料下表面受張力作用，當(dāng)內(nèi)外層均為90°層受拉時(shí)，復(fù)合材料軸向上基體為主體易發(fā)生開裂，導(dǎo)致整體性能提升不大。而隨著內(nèi)層纏繞角度逐漸減小，纖維逐漸成為主要受載主體，且由于纖維拉伸性能明顯強(qiáng)于基體的作用，內(nèi)層不易破壞，大大提高了混合管的性能，所受載荷沿纖維方向分配，從而使得外層纖維的裂紋沿著內(nèi)層纖維方向擴(kuò)展。

圖6 不同纏繞角度下混合管的破壞模式Fig.6 Failuremode of hybrid tubeswith differentwinding angle

2.2 纏繞角度對(duì)吸能特性的影響

不同纏繞角度對(duì)混合管抗彎性能的影響規(guī)律如圖7所示?？芍?，A15C6S27峰值載荷最大，為9 383.1 N。隨著纏繞角度的增大，抗彎載荷在降低，但峰值過后載荷下降的趨勢在減緩，說明纏繞角度的增大阻滯混合管變形的能力提高但所承受的載荷不高。其中［75°／-75°／90°］和［90°／90°／90°］的抗彎載荷相當(dāng)，也表明75°后的大角度抗彎性能無明顯變化。

圖7 CFRP／Al混合管的載荷位移曲線Fig.7 Load displacement curves of CFRP／Al hybrid tubes

由圖7曲線計(jì)算得到了各圓管吸能評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3所示。隨著纏繞角度的減小，總吸收能量逐漸增大。其中A15C6S27的總吸能值最大為362.8 J。考慮到管件的幾何參數(shù)（壁厚和質(zhì)量）的影響，采用比吸能（SEA）評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的能量吸收效率。對(duì)比各混合管與鋁管的比吸能，其中鋁管的比吸能為1.13 J／g，與之相比，混合管的能量吸收效率提高明顯。而隨著CFRP纏繞角度的增大，導(dǎo)致CFRP／Al混合圓管的比吸能成下降趨勢，而在［90°／90°／90°］纏繞下的混合管部分SEA值略高與［75°／-75°／90°］纏繞角，是因?yàn)椋?0°］3的抗變形能力最好，載荷下降趨勢最慢，故平均載荷略高于［75°／-75°／90°］纏繞時(shí)的平均載荷。通過比較可知A15C6S27的比吸能最高為1.55 J／g，比原來的基礎(chǔ)管提高了37.96%。

當(dāng)纖維和基體斷裂時(shí)，剩余的沖擊能量被重新分配到未損壞的CFRP層進(jìn)行吸收。當(dāng)纏繞角度變小時(shí)，纖維逐漸沿軸向受拉，此時(shí)纖維為主體承受載荷，且抗彎和抗壓強(qiáng)度增大，故吸收能量增大，比吸能增加。

比較不同纏繞角度下的混合管CFE的分布。高CFE值意味著峰值載荷和平均載荷之間的差別很小，當(dāng)CFE很高時(shí)，承載結(jié)構(gòu)抗變形能力越好，保護(hù)作用明顯。從圖中可知大致趨勢是纏繞角度的增大，混合管抗 彎 的CFE值 在 增 大。而［27°／-27°／90°］和［45°／-45°／90°］纏繞的混合管的CFE較低是由于其峰值載荷的明顯上升，盡管如此CFE值也與基礎(chǔ)管相差無幾，提供了良好的抗撞性。［75°／-75°／90°］和［90°／90°／90°］下的混合管CFE高是由于纏繞角度增大，環(huán)向剛度增加，彎曲變形造成的圓截面扁化得到抑制，抗變形能力提高，避免了抗彎剛度迅速降低，載荷下降趨勢緩慢使得平均載荷和峰值載荷之差較小。其中A15C6S90的CFE值最高為86.1%。

表3 混合薄壁管的力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.3 Evaluation index of specimens

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型與失效判據(jù)

為對(duì)不同纏繞層在橫向載荷下的應(yīng)力傳遞過程進(jìn)行分析，采用ABAQUS／Explicit軟件對(duì)CFRP／AL混合圓管橫向受載試驗(yàn)進(jìn)行有限元模擬，所建模型如圖8所示。鋁管部分網(wǎng)格采用solid單元（C3D8I），CFRP部分劃分6層，每層厚度為0.25mm，采用Continuum Shell單元（SC8R），網(wǎng)格大小為1.5 mm×1.5 mm，共劃分113 400個(gè)網(wǎng)格。當(dāng)單元達(dá)到完全失效狀態(tài)時(shí)，對(duì)單元進(jìn)行失效刪除。加載輥和支輥為剛性體設(shè)置，接觸為通用接觸，由于支輥為滾軸支輥，所以接觸的摩擦因數(shù)范圍為0.001～0.005，邊界設(shè)置為支輥固定，加載輥設(shè)置加載速度為10 mm／s。

圖8 CFRP／Al混合管有限元模型Fig.8 Finite elementmodel of CFRP／Al hybrid tube

模型采用ABAQUS中內(nèi)嵌二維Hashin失效準(zhǔn)則對(duì)CFRP在彎曲過程中的損傷失效狀態(tài)進(jìn)行描述，對(duì)復(fù)合材料的4種失效模式如下：

試中，σ11、σ22為不同方向上的主應(yīng)力，11表示縱向（平行于纖維方向），22表示橫向（垂直于纖維方向），τ12為切應(yīng)力，12表示剪切方向；XT為縱向拉伸強(qiáng)度；XC為縱向抗壓強(qiáng)度；YT為橫向拉伸強(qiáng)度；YC為橫向抗壓強(qiáng)度；SL為縱向剪切強(qiáng)度，其相關(guān)性能參數(shù)見表4。當(dāng)上述任一等式成立時(shí)，即開始出現(xiàn)相應(yīng)類型的損傷。采用二維Hashin失效準(zhǔn)則可以直觀的觀察到纖維和基體的損傷狀態(tài)，便于對(duì)混合結(jié)構(gòu)的損傷失效機(jī)理進(jìn)行分析。

表4 CFRP材料力學(xué)性能Tab.4 Material properties of the CFRP

3.2 仿真結(jié)果分析

鑒于內(nèi)層75°和90°混合管的抗彎特性接近，只以A15C6S27、A15C6S45和A15C6S90 3種樣件為對(duì)象，建立仿真模型，得到了如圖9中的各混合管仿真與試驗(yàn)的載荷-位移對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯?，3種樣件的仿真與試驗(yàn)結(jié)果接近，載荷變化趨勢相同，可以利用仿真結(jié)果對(duì)混合管的變形模式與吸能機(jī)理做深入分析。

圖9 CFRP／Al混合管的仿真與試驗(yàn)載荷位移曲線對(duì)比Fig.9 Load displacement curves of experiment and FEA of CFRP／Al hybrid tube

為分析不同纏繞角度對(duì)于混合管抗彎性能的影響，在線彈性變形階段提取了3種樣件加載位移在2 mm處的CFRP最外層和與鋁管接觸的最內(nèi)層的Von-Mises應(yīng)力分布（圖10）?？梢钥闯鲇捎趦?nèi)層纏繞角度的不同，表層均為90°纏繞下其內(nèi)層應(yīng)力分布明顯不同，內(nèi)層應(yīng)力方向沿著纖維角度的設(shè)置方向分布，通過層間的傳遞作用，在相同加載位移下對(duì)外層90°纖維的變形起到了抑制作用，彎曲變形造成的圓截面扁化得到抑制，表現(xiàn)為壓潰效率的明顯提升。隨著內(nèi)層纖維纏繞角度的進(jìn)一步增大，外層應(yīng)力也逐漸增大。

圖10 混合管在加載位移2mm處的應(yīng)力分布Fig.10 von-Mises stress distribution at a loading nose displacement of 2.0 mm around the contact region

4 結(jié)論

在準(zhǔn)靜態(tài)彎曲試驗(yàn)下，研究了纖維纏繞角度對(duì)CFRP纏繞薄壁鋁圓管的橫向壓潰性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）基于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，各纏繞角度下的CFRPAl混合圓管的失效歷程與Al管基本保持一致。纖維纏繞增強(qiáng)層在管件正背面受壓拉的變形有效地抑制了鋁管的塑性變形，混合管屈服極限、比吸能明顯提升。橫向載荷作用下，混合管受拉面復(fù)合材料層破壞形式與纖維纏繞角度密切相關(guān)。

（2）采用有限元分析的方法，分析了線彈性階段不同角度纏繞內(nèi)層對(duì)于表層應(yīng)力分布的影響。內(nèi)層應(yīng)力分布方向與纖維角度的設(shè)置一致，隨著內(nèi)層纖維角度的減小使得最外層承受的應(yīng)力減小，表明小角度纏繞內(nèi)層對(duì)于增強(qiáng)管件抗彎性能提高明顯。

（3）纖維纏繞角度對(duì)混合管抗彎性能和吸能特性的影響顯著。纖維纏繞角度越小，抗彎峰值載荷越高，比吸能更好，而隨著角度的增加，混合管結(jié)構(gòu)塌陷階段載荷下降緩慢，環(huán)向剛度下降減緩，彎曲變形的抑制作用提高結(jié)構(gòu)壓潰效率提高。考慮到抗變形與吸能的雙重要求。纏繞型CFRP-Al管應(yīng)采用多角度混合設(shè)計(jì)方式。