撞擊物對(duì)復(fù)合材料層合板沖擊損傷特性的影響

梁嘉瑞，黃金紅，杭宇，張欣玥，侯兵，李玉龍

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，陜西，西安 710072；2. 陜西省沖擊動(dòng)力學(xué)及工程應(yīng)用重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西，西安 710072；3. 中國飛機(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)試驗(yàn)室，陜西，西安 710065）

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料由于比強(qiáng)度/比模量高、耐腐蝕和耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車和汽車工業(yè)等領(lǐng)域. 復(fù)合材料在服役和維護(hù)過程中會(huì)不可避免遭受低能量沖擊，如冰雹撞擊、跑道碎石和工具跌落等. 與高能量沖擊導(dǎo)致明顯可見損傷不同，低能量沖擊多導(dǎo)致脆性基體材料的損傷，多表現(xiàn)為內(nèi)部分層損傷. 這些損傷在日常檢測中不易發(fā)現(xiàn)，卻會(huì)明顯降低結(jié)構(gòu)的承載能力. 因此，開展復(fù)合材料層合板的低能量沖擊損傷特性研究對(duì)于保證其服役安全至關(guān)重要.

近年來，學(xué)者們圍繞復(fù)合材料沖擊響應(yīng)的影響因素開展了大量的實(shí)驗(yàn)、數(shù)值和理論研究. GILARDI 等[1]在其關(guān)于接觸動(dòng)力學(xué)的綜述文章中指出，影響沖擊過程的因素包括沖擊能量、沖擊速度、撞擊物形狀、被撞擊結(jié)構(gòu)的材料特性、尺寸、質(zhì)量、約束條件、接觸剛度和阻尼等. 具體到復(fù)合材料，大量已公開報(bào)道的研究多集中于沖擊能量[2?4]、撞擊物質(zhì)量/速度[3?4]、沖頭尺寸和形狀[5?7]以及約束條件[8]等對(duì)損傷程度的影響，也有部分工作涉及層合板本身特性如基體/纖維層間特性性能[9]、鋪層設(shè)計(jì)[6,10]等的影響. 研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料確定時(shí)，沖擊能量是決定損傷嚴(yán)重程度的最主要因素，而在相同能量下，不同質(zhì)量和沖擊速度的影響處于次要地位. 例如，CANTWELL 等[2]的早期工作指出低能量沖擊響應(yīng)受層合板幾何參數(shù)影響，而高能量沖擊導(dǎo)致靶板局部破壞，與低能量沖擊損傷相比更不利于結(jié)構(gòu)的完整性.ARTERO-GUERRERO 等[3]和ZABALA 等[4]分別開展了不同撞擊物速度/質(zhì)量的等能量沖擊試驗(yàn)，前者發(fā)現(xiàn)撞擊物速度/質(zhì)量的改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無明顯影響，分層面積、最大位移和剩余剛度等均只是沖擊能量的函數(shù). 后者則發(fā)現(xiàn)隨著沖擊速度提升，復(fù)合材料層合板耗散的能量幾乎不變，而損傷面積和剩余剛度則略有變化. MITREVSKI 等[5]和SEVKAT 等[6]分析了沖頭形狀對(duì)層合板沖擊損傷機(jī)制的影響，認(rèn)為鈍形沖頭易導(dǎo)致大面積分層損傷，尖銳沖頭易導(dǎo)致局部纖維斷裂. 此外，也有學(xué)者研究了沖頭直徑的影響[7]，相同沖擊能量下，沖頭直徑越小，造成的損傷程度越高，層合板被穿透的臨界能量也越低.

事實(shí)上，在沖擊碰撞過程中，被撞物所經(jīng)歷的沖擊載荷時(shí)間歷程和由此造成的損傷除受上述因素影響外，也與撞擊物和被撞靶板的接觸剛度和撞擊物的失效過程相關(guān). 目前已公開報(bào)道的文獻(xiàn)中較少涉及撞擊物材料特性對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷力學(xué)過程的影響. 本文通過試驗(yàn)方法研究了不同材質(zhì)撞擊物以相同能量撞擊復(fù)合材料層合板的沖擊損傷和剩余強(qiáng)度/剛度特性，揭示了撞擊物材料特性對(duì)層合板沖擊損傷特性的影響.

1 試驗(yàn)件與試驗(yàn)方法

本文開展了層合板同一能量（60 J）下的落錘沖擊試驗(yàn)和三種不同材質(zhì)小球的氣炮沖擊試驗(yàn). 復(fù)合材料層合板為一種采用預(yù)浸料成型工藝制備的復(fù)合材料層合板，鋪層設(shè)計(jì)采用[45/0/?45/90]3S，厚度4.8 mm，兩種試驗(yàn)的試件尺寸均為150 mm×100 mm.

落錘沖擊試驗(yàn)參照ASTM D 7 136 標(biāo)準(zhǔn)，使用Instron9250HV 落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行（圖1）. 試驗(yàn)件采用四角固支的方式固定，落錘沖頭為鋼材質(zhì)，端部為半球形，直徑25 mm，質(zhì)量為12.58 kg，60 J 沖擊能量對(duì)應(yīng)的沖擊速度為3.1 m/s.

圖1 落錘試驗(yàn)機(jī)及夾具Fig. 1 Drop-weight testing machine and the fixture

氣炮沖擊試驗(yàn)采用78 mm 口徑高速空氣炮進(jìn)行.撞擊物選用了鋼球、鋁球和聚合物球三種不同的材質(zhì)，直徑均為25 mm，三種材料的力學(xué)和物理參數(shù)見表1. 空氣炮工作原理見圖2. 試驗(yàn)時(shí)，撞擊物小球和彈托被放置在炮膛內(nèi)，并通過壓氣機(jī)在氣室內(nèi)形成高壓氣體. 發(fā)射時(shí)，打開閥門，氣室中的高壓氣體會(huì)壓入炮管，推動(dòng)彈托在炮管內(nèi)向前高速運(yùn)動(dòng). 在炮膛出口處，彈托被攔截，撞擊物小球繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)撞擊靶板. 試驗(yàn)中采用激光測速儀和高速照相機(jī)記錄撞擊物的速度和撞擊過程，通過控制高壓氣體的壓強(qiáng)可以調(diào)節(jié)撞擊物的發(fā)射速度. 為了與落錘試驗(yàn)具有可比性，氣炮試驗(yàn)采用與落錘試驗(yàn)相同的四角固定約束.

表1 撞擊物的力學(xué)和物理參數(shù)Tab. 1 Mechanical and physical parameters of the impactors

圖2 高速氣炮工作原理示意圖Fig. 2 Schematic of the high-speed gas gun

沖擊結(jié)束后，對(duì)所有試件進(jìn)行檢查，記錄其損傷情況. 隨后使用超聲C 掃描無損檢測技術(shù)檢測層合板內(nèi)部損傷面積. 復(fù)合材料層合板沖擊后壓縮試驗(yàn)參照ASTM D 7 137 標(biāo)準(zhǔn)，使用Instron8803 壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行. 圖3 為平板壓縮試驗(yàn)所用夾具，主要由底座和頂蓋組成，可以有效地防止壁板失穩(wěn)或彎曲過度.

圖3 壓縮試驗(yàn)機(jī)及夾具Fig. 3 Instron machine and the fixture

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖擊損傷特性

復(fù)合材料層合板的落錘沖擊試驗(yàn)和不同工況的氣炮沖擊試驗(yàn)均進(jìn)行了不少于3 個(gè)重復(fù)試驗(yàn)，損傷模式具有較好的重復(fù)性，且不同材質(zhì)撞擊物在沖擊復(fù)合材料層合板過程中均未發(fā)生明顯塑性變形. 圖4展示了不同工況沖擊后的層合板典型損傷情況. 可以看出，落錘沖擊后的試驗(yàn)件正面形成近似圓形的凹坑(圖4(a))，背面則出現(xiàn)了明顯的穿透型損傷(圖4(b))，且纖維斷裂和基體破壞主要沿45°方向. 鋼球沖擊后的層合板損傷模式與落錘沖擊結(jié)果高度相似：沖擊正面可見圓形凹坑，背面也有45°方向的纖維斷裂與基體開裂(見圖4(c)、圖4(d)). 鋁球撞擊的損傷情況見圖4(e)和圖4(f)，試件正面無目視可見損傷，背面也未發(fā)現(xiàn)明顯拱起或纖維損傷，但是在試件的側(cè)面可以看到明顯直線狀裂紋(見圖4(i))，表明鋁球撞擊后的復(fù)合材料層合板內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生了分層損傷，并且延伸到了層合板邊緣. 聚合物球撞擊后的試件正面和反面均沒有目視可見損傷，并且在層合板的側(cè)面也未發(fā)現(xiàn)明顯損傷(見圖4(g)、圖4(h)).

圖4 不同撞擊物撞擊復(fù)合材料層合板的表面損傷特征Fig. 4 The damage characteristics of the composite laminates impacted by various impactors

進(jìn)一步對(duì)沖擊后試件進(jìn)行C 掃描分析，獲得各種工況下層合板的損傷特性的定量結(jié)果如圖5 所示.值得指出的是，盡管同一工況下重復(fù)性試驗(yàn)的損傷模式具有較好重復(fù)性，但是其對(duì)應(yīng)的損傷面積分散性較大. 選擇各工況下的典型C 掃結(jié)果如圖6 所示.對(duì)比采用相同材質(zhì)撞擊物的落錘沖擊和鋼球沖擊試驗(yàn)可以看出，前者發(fā)生大面積的分層損傷，形狀多為橢圓形. 鋼球的分層損傷形狀不規(guī)則(圖6(b))，損傷區(qū)域從撞擊部位蔓延至右側(cè)邊緣，平均損傷面積大于落錘沖擊. 鋁球沖擊后的試件確實(shí)發(fā)生了內(nèi)部分層損傷(圖6(c))，損傷擴(kuò)展到了邊緣界面，這與目檢情況是相符合的. 而對(duì)于聚合物球沖擊后的試件，無論外觀觀察還是內(nèi)部探測，均未發(fā)現(xiàn)可見損傷.

圖5 不同撞擊物撞擊復(fù)合材料層合板的損傷面積Fig. 5 The damage area of the composite laminates impacted by various impactors

圖6 不同撞擊物撞擊復(fù)合材料層合板的C 掃描結(jié)果Fig. 6 The C-scan results of the composite laminates impacted by various impactors

2.2 剩余壓縮強(qiáng)度

對(duì)沖擊后含損傷復(fù)合材料層合板開展剩余承載能力壓縮試驗(yàn). 圖7 展示了典型沖擊工況下的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，由于沖擊后損傷面積的分散性，壓縮載荷位移曲線也表現(xiàn)出一定的分散性. 然而，對(duì)比不同工況下的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然可以看出較為明顯的變化規(guī)律.

圖7 落錘沖擊后復(fù)合材料層合板的壓縮載荷位移曲線Fig. 7 Compressive load-displacement curves of composite laminates after drop-weight test

圖8(a)顯示了各工況下具有代表性（載荷位移曲線水平居中）的壓縮載荷位移曲線的對(duì)比結(jié)果，圖8(b)則描述了不同工況含損傷復(fù)合材料層合板的剩余壓縮強(qiáng)度與剩余剛度的平均值. 從圖中可以看出，未沖擊的層合板具有最高的剩余強(qiáng)度和剩余剛度值. 2.1 節(jié)中發(fā)現(xiàn)落錘沖擊與鋼球沖擊均造成較為嚴(yán)重的損傷（分層+纖維斷裂），二者沖擊后層合板的剩余壓縮強(qiáng)度/剛度也非常接近，相較于未沖擊層合板，壓縮強(qiáng)度分別下降63.5%和62.2%，剩余剛度下降16.1%和16.6%，說明相同材質(zhì)撞擊物以相同能量、不同質(zhì)量/速度撞擊造成的損傷情況近似等效. 鋁球撞擊后的層合板承載能力介于鋼球撞擊和未撞擊之間，其剩余強(qiáng)度和剛度相對(duì)于未沖擊的情況分別下降26.8%和8.9%. 結(jié)合2.1 中的鋁球撞擊導(dǎo)致大面積分層損傷的特征，可知撞擊物彈性模量變化會(huì)導(dǎo)致相同撞擊能量下?lián)p傷模式和損傷程度的明顯差異，從而影響剩余強(qiáng)度和剛度的變化. 進(jìn)一步降低撞擊物彈性模量，采用聚合物球進(jìn)行撞擊，考慮數(shù)據(jù)分散性，層合板的剩余壓縮強(qiáng)度和剛度平均值與未沖擊相比仍有一定降低（分別為4.6%和4.9%），說明聚合物球撞擊后盡管目測和C 掃結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)明顯損傷，但可能仍然存在一些微小損傷造成材料后繼承載能力的下降.

圖8 壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 Compression test results

3 討 論

綜合上述結(jié)果可以看出，沖擊能量相同時(shí)，不同材質(zhì)撞擊物導(dǎo)致復(fù)合材料層合板的沖擊損傷有明顯差異，而相同材質(zhì)撞擊物的質(zhì)量/速度變化則對(duì)損傷影響不大. 由于本文研究的三種撞擊物在撞擊復(fù)合材料層合板過程中均未發(fā)生明顯塑性變形，而復(fù)合材料層合板也以脆性的基體破壞為主，即在破壞前主要發(fā)生彈性變形. 為分析簡單起見，將該過程近似為兩個(gè)彈性體撞擊，并運(yùn)用經(jīng)典的赫茲接觸理論[11]對(duì)撞擊物材料特性影響沖擊損傷過程的機(jī)理進(jìn)行定性解釋. 根據(jù)赫茲碰撞模型，撞擊過程的接觸力與壓入深度呈非線性的冪函數(shù)關(guān)系

式中：下角標(biāo)i, j分別表示撞擊物和被撞物；Ri為撞擊物小球的半徑； μ和E分別為材料的泊松比和彈性模量. 容易計(jì)算出，對(duì)于本文三種撞擊物沖擊同一種復(fù)合材料層合板的情況，接觸剛度K滿足

在本模型中，三種撞擊物具有相同的初始動(dòng)能E0. 考慮沖擊物開始撞擊層合板到速度變?yōu)? 的過程，此時(shí)層合板產(chǎn)生最大變形. 若不考慮碰撞過程中摩擦引起的能量耗散，則撞擊物的初始動(dòng)能E0全部轉(zhuǎn)換為了沖擊力做的功

值得指出的是，復(fù)合材料沖擊過程的真實(shí)能量耗散過程遠(yuǎn)較式(4)所給出的彈性碰撞能量轉(zhuǎn)換過程復(fù)雜. 除需要考慮撞擊物和復(fù)合材料接觸過程的摩擦力所導(dǎo)致的能量耗散，復(fù)合材料的漸進(jìn)損傷破壞過程，如圖4 所示的纖維斷裂、基體開裂和分層損傷等，也伴隨著能量的不可逆耗散.

4 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)方法研究了同一沖擊能量下撞擊物材料特性對(duì)復(fù)合材料層合板沖擊損傷特性的影響，得出以下結(jié)論：

①對(duì)比落錘試驗(yàn)與鋼球沖擊試驗(yàn)結(jié)果可以看出，同一沖擊能量時(shí)，沖擊物質(zhì)量和速度差異對(duì)損傷特點(diǎn)及剩余承載能力的影響較小.

②對(duì)比三種不同材質(zhì)小球的氣炮沖擊試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，撞擊物在未發(fā)生明顯塑性變形和破壞的前提下，其彈性性能會(huì)顯著影響復(fù)合材料層合板的沖擊損傷程度，并進(jìn)一步影響剩余壓縮強(qiáng)度和剛度.

③結(jié)合赫茲接觸理論解釋了沖擊過程中撞擊物彈性模量和泊松比影響接觸剛度，并導(dǎo)致不同程度損傷的機(jī)理.