考慮初始應(yīng)力的X850/IM+復(fù)材板高速?zèng)_擊試驗(yàn)

王計(jì)真

中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是航空領(lǐng)域的重要材料之一，且得到廣泛應(yīng)用[1,2]。飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中，會(huì)遭遇工具墜落、輪胎碎片、碎石、冰雹、飛鳥(niǎo)和武器碎片等的沖擊威脅，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效破壞，威脅飛機(jī)結(jié)構(gòu)和乘員安全。

當(dāng)前對(duì)復(fù)合材料沖擊行為的相關(guān)研究，主要針對(duì)無(wú)預(yù)載荷情況，而真實(shí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)遭受沖擊時(shí)均承受一定載荷。飛機(jī)起降過(guò)程中，機(jī)身底部易遭受跑道碎石沖擊威脅，此時(shí)機(jī)身底部蒙皮結(jié)構(gòu)承受較大壓縮載荷；飛機(jī)檢修時(shí)，工具墜落可能砸傷機(jī)翼上表面，此時(shí)其結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較大拉伸載荷。20世紀(jì)80—90年代，就有學(xué)者[3-5]曾預(yù)見(jiàn)，靜態(tài)分布載荷對(duì)民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊影響研究將成為一個(gè)熱點(diǎn)。德國(guó)宇航中心在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量試驗(yàn)和數(shù)值仿真，認(rèn)為初始應(yīng)力效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)沖擊損傷有明顯影響，進(jìn)行復(fù)合材料強(qiáng)度評(píng)估時(shí)必須重視初始應(yīng)力作用[6,7]。此外，美國(guó)AC 20-107B 中指出，在研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)意外沖擊時(shí)，須考慮實(shí)際邊界和載荷約束[8]。

國(guó)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)預(yù)載荷狀態(tài)下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊行為已開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)，以評(píng)估飛機(jī)實(shí)際沖擊碰撞場(chǎng)景的復(fù)合材料強(qiáng)度。參考文獻(xiàn)[9]～參考文獻(xiàn)[12]考慮拉伸初始載荷作用下開(kāi)展沖擊試驗(yàn)，參考文獻(xiàn)[10]、參考文獻(xiàn)[13]、參考文獻(xiàn)[14]考慮壓縮初始載荷開(kāi)展沖擊試驗(yàn)，得到結(jié)論：拉伸初始載荷使復(fù)合材料層合板抗彎剛度增大，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊載荷峰值提高、層合板沖擊變形減?。欢鴫嚎s載荷則反之。此外壓縮預(yù)載荷還可能引起層合板面內(nèi)屈曲。國(guó)內(nèi)，僅見(jiàn)部分文獻(xiàn)[15,16]開(kāi)展了預(yù)應(yīng)力復(fù)合材料的初步理論建模和數(shù)值仿真，得到了類(lèi)似結(jié)論，未見(jiàn)開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究。

本文設(shè)計(jì)了一種初始應(yīng)力加載試驗(yàn)裝置，并針對(duì)X850/IM+牌號(hào)的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)，采用氣炮法開(kāi)展初始應(yīng)力高速?zèng)_擊試驗(yàn)，討論了初始應(yīng)力類(lèi)型和大小對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

1 初始應(yīng)力沖擊試驗(yàn)裝置與方法

1.1 初始應(yīng)力施加設(shè)備

面內(nèi)初始應(yīng)力施加設(shè)備為試驗(yàn)件提供設(shè)計(jì)初始應(yīng)力形式和大小，通過(guò)框架四周均布加載螺栓的旋進(jìn)或旋出，以實(shí)現(xiàn)單向或二向初始拉伸、壓縮或剪切的模擬，如圖1 所示。面內(nèi)加載大小通過(guò)應(yīng)變形式描述，基于螺栓旋進(jìn)或旋出的圈數(shù)換算成螺栓軸向行程（螺紋螺距已知），實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)應(yīng)變的加載。

圖1 初始應(yīng)力施加設(shè)備連接關(guān)系圖Fig.1 Prestressing device diagram

1.2 高速?zèng)_擊試驗(yàn)裝置

高速?zèng)_擊試驗(yàn)基于空氣炮裝置開(kāi)展，試驗(yàn)設(shè)備包括氣炮裝置、控制系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)設(shè)備、測(cè)速系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)材料處理系統(tǒng)等，圖2為試驗(yàn)設(shè)備框圖，圖3為沖擊試驗(yàn)原理圖。

圖2 D80氣炮系統(tǒng)設(shè)備框圖Fig.2 D80 gas gun diagram

圖3 考慮初始載荷的高速?zèng)_擊試驗(yàn)原理圖Fig.3 High speed impact test diagram under preloading

一個(gè)高速攝像機(jī)拍攝靶板正面拍攝靶板側(cè)面記錄板的變形；另外一臺(tái)高速攝像機(jī)拍攝鋼彈飛行軌跡，記錄鋼彈飛行姿態(tài)。根據(jù)實(shí)際需要放置背景板和補(bǔ)充光源，提高鋼彈與背景的對(duì)比度。

沖擊試驗(yàn)過(guò)程中記錄試驗(yàn)件沖擊速度、穿透/反射速度、應(yīng)變數(shù)據(jù)，并通過(guò)C 掃描對(duì)層合板沖擊損傷，層合板中心位移采用激光位移傳感器測(cè)量，層合板貼片位置如圖4所示。

測(cè)速裝置安裝在彈體飛行中途、擋氣屏之后、試驗(yàn)件之前。在彈體飛行路徑上裝置兩個(gè)光幕，測(cè)量彈體飛過(guò)兩個(gè)光幕時(shí)間間隔，計(jì)算得到入射速度。

完成沖擊試驗(yàn)后，對(duì)層合板進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，采用C 掃描，檢測(cè)層合板的纖維、基體和分層損傷情況。

圖4 貼片位置Fig.4 Strain gauge attachment position

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)件規(guī)劃

層合板試驗(yàn)件為正方形，尺寸為400mm×400mm×2.1mm；材料牌號(hào)為X850/IM+，共18 件，鋪層方式為[45/-45/0/90/45/-45/90/0/-45/45]。

沖擊試驗(yàn)采用D80氣炮系統(tǒng)，沖擊物為直徑25.4mm的鋼球。沖擊速度分別為40m/s、50m/s 和60m/s。初始應(yīng)力通過(guò)螺栓施加，通過(guò)監(jiān)測(cè)應(yīng)變花的應(yīng)變數(shù)據(jù)確定大小；共施加三種初始應(yīng)力形式，分別為-5000με（壓縮應(yīng)變5‰）、0和5000με（拉伸應(yīng)變5‰）。試驗(yàn)矩陣見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)矩陣Table 1 Test matrix

2.2 結(jié)果分析

如圖5 所示，為不同初始速度和不同初始應(yīng)力狀態(tài)下的層合板撞擊剩余速度，其中正值表示反彈，負(fù)值表示穿透。可看出，隨著沖擊初始速度的增加，沖擊反彈速度在增加至一定狀態(tài)后開(kāi)始降低，直至出現(xiàn)穿透，且傳遞至層合板的能量（層合板破壞耗能和彈性變形儲(chǔ)能）增加。

在同一速度下，施加拉伸初始應(yīng)力使剩余速度增加，施加壓縮初始應(yīng)力使剩余速度減小，表明拉伸初始應(yīng)力提高了層合板的彎曲剛度，而壓縮初始應(yīng)力降低了層合板彎曲剛度。

在40m/s和50m/s時(shí)，該種牌號(hào)的復(fù)合材料層合板均未被穿透，在60m/s 時(shí)，無(wú)初始應(yīng)力的層合板和施加5000με（拉伸應(yīng)變5‰）的層合板出現(xiàn)穿透，而施加-5000με（壓縮應(yīng)變5‰）的層合板未穿透并反彈。可以推測(cè)，高速橫向沖擊過(guò)程，層合板面內(nèi)為拉伸應(yīng)力狀態(tài)，而在拉伸初始應(yīng)力疊加作用下，復(fù)合材料纖維更容易斷裂，使層合板的彈道速度（剛好穿透層合板的沖擊速度）降低；反之，壓縮初始應(yīng)力抵消部分沖擊面內(nèi)拉伸應(yīng)力，層合板內(nèi)纖維不容易斷裂，因而提高了層合板的彈道速度。

圖5 沖擊反射/穿透速度Fig.5 Rebound velocity and penetration velocity

3 結(jié)論

本文提出了一種考慮初始應(yīng)力的薄板高速?zèng)_擊試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了面內(nèi)拉伸/壓縮初始應(yīng)力試驗(yàn)裝置，并針對(duì)X850/IM+牌號(hào)的復(fù)合材料層合板，開(kāi)展了高速?zèng)_擊試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1) 在同一速度下，施加拉伸初始應(yīng)力使剩余速度增加，施加壓縮初始應(yīng)力使剩余速度減小，表明拉伸初始應(yīng)力提高了層合板彎曲剛度，而壓縮初始應(yīng)力降低了層合板彎曲剛度。

(2) 隨著速度的增加，沖擊反彈速度先增加后逐漸降低，直至出現(xiàn)穿透。

(3)高速橫向沖擊過(guò)程，拉伸初始應(yīng)力疊加作用下，層合板的彈道速度降低；而壓縮初始應(yīng)力提高了層合板的彈道速度。