纖維金屬帽形結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊力學(xué)性能研究

張 鑫，扈長(zhǎng)智，劉皓林，侯文彬

(大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

纖維金屬層板是一種由金屬合金與纖維/樹脂復(fù)合材料采用膠接技術(shù)交替層壓制成的超混雜復(fù)合材料，具有高比強(qiáng)度、比剛度及優(yōu)良的耐腐蝕性和耐疲勞特性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于航空航天等領(lǐng)域[1]。纖維金屬層板綜合了傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料和金屬合金材料的優(yōu)點(diǎn)，克服了單一復(fù)合材料和金屬材料的不足[2]。纖維金屬層板具有良好的抗沖擊性能、阻尼性能和輕量化效果，發(fā)展前景廣闊，具有較高的研究?jī)r(jià)值。

目前，研究纖維金屬層板的低速?zèng)_擊性能主要是通過(guò)落錘沖擊實(shí)驗(yàn)和仿真模擬的方法。胡海威[3]對(duì)纖維金屬層板低速?zèng)_擊的力學(xué)行為和損傷機(jī)理進(jìn)行分析，并研究尺寸形狀、鋪層方式、邊界條件、沖擊能量等參數(shù)對(duì)其抗沖擊性能的影響，在數(shù)值仿真中為了提高模型的計(jì)算速率并未考慮玻璃纖維真實(shí)應(yīng)變率效應(yīng)，只是對(duì)材料的強(qiáng)度適當(dāng)?shù)靥岣?，滿足在一定范圍內(nèi)的仿真需求；陳勇等[4-5]建立了考慮塑性應(yīng)變、壓縮剛度衰減特征和纖維拉伸斷裂損傷的復(fù)合材料連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型，并研究低溫處理對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板低速?zèng)_擊力學(xué)特性的影響，得出低溫可提高其抗沖擊性能的結(jié)論；Nakatani等[6]研究玻璃纖維金屬層板的低速?zèng)_擊問(wèn)題，結(jié)果表明沖擊后在金屬層板完好的情況下玻璃纖維芯層會(huì)出現(xiàn)小的分層；涂文瓊等[7]同樣研究纖維金屬層板在低速?zèng)_擊載荷作用下的抗分層性能，結(jié)果表明纖維金屬層板比純纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料層板吸能更多，當(dāng)金屬層布置在層合板表層時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗分層能力更為優(yōu)秀。馬玉娥等[8]對(duì)玻璃纖維金屬層板進(jìn)行了落錘試驗(yàn)，分析纖維金屬板的動(dòng)態(tài)沖擊響應(yīng)并根據(jù)各能量下的損傷情況總結(jié)其損傷規(guī)律。蔡艷等[9]對(duì)纖維金屬層板低速?zèng)_擊進(jìn)行研究，結(jié)果表明測(cè)量點(diǎn)的位移和最大塑性變形隨著沖擊能量的增加逐漸增大，在沖擊過(guò)程中玻璃纖維先發(fā)生破壞，然后鋁合金層出現(xiàn)裂紋。

在鋁合金、碳纖維和纖維金屬層板的高速?zèng)_擊研究中主要是采用彈道實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方式?？敌廊籟10]考慮并研究鋪層形式、鋁合金比重、構(gòu)型以及沖擊物尺寸對(duì)纖維金屬層板抗沖擊性能的影響；許明明[11]研究了3種彈頭沖擊侵砌下碳纖維織物和碳纖維增強(qiáng)鋁合金層板的變形過(guò)程、失效模式和彈道防護(hù)性能，同時(shí)考慮應(yīng)變率對(duì)于材料力學(xué)性能的影響；朱艷榮[12]在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料本構(gòu)模型中增加應(yīng)變率修正公式，使材料參數(shù)變成隨應(yīng)變率變化的動(dòng)態(tài)參數(shù)，并通過(guò)彈道實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的模型進(jìn)行了驗(yàn)證；黃橋平等[13]建立考慮應(yīng)變率效應(yīng)的復(fù)合材料粘彈性本構(gòu)模型并從層合板抗沖擊性能的角度提出有效沖擊時(shí)間的概念；葉拓等[14]利用實(shí)驗(yàn)研究不同應(yīng)變率和不同溫度對(duì)于鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的影響；呂俊智[15]研究鋁合金層狀復(fù)合材料流動(dòng)應(yīng)力受應(yīng)變率效應(yīng)的影響并歸納出動(dòng)態(tài)力學(xué)特性變化規(guī)律、動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型的影響規(guī)律和裂紋形成與擴(kuò)展規(guī)律。

在低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)的研究中，主要是采用平板結(jié)構(gòu)，考慮邊界條件、低溫處理、鋪層形式、結(jié)構(gòu)尺寸和沖擊物的大小等因素對(duì)于沖擊性能的影響，并研究抗分層性能的影響因素以及損傷破壞情況，很少考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)，沒(méi)有深入分析應(yīng)變率對(duì)于材料性能的影響，使得數(shù)值仿真的結(jié)果十分受限，并且進(jìn)行低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)大多采用平板結(jié)構(gòu)，對(duì)于其它結(jié)構(gòu)缺乏研究，對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用于各種抗沖擊結(jié)構(gòu)中的指導(dǎo)性不強(qiáng)。而在高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)的研究中則充分考慮了材料的應(yīng)變率效應(yīng)，通過(guò)建立新的本構(gòu)模型和修正公式來(lái)研究復(fù)合材料的應(yīng)變率效應(yīng)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)研究金屬材料的應(yīng)變率效應(yīng)，研究得更為深入和細(xì)致，這對(duì)于低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)的研究具有借鑒意義。

因此，在低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)的研究中，采用纖維金屬混合材料帽形結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；通過(guò)對(duì)碳纖維和鋁合金動(dòng)靜態(tài)參數(shù)的測(cè)定來(lái)分析材料的應(yīng)變率效應(yīng)，探討材料應(yīng)變率與性能參數(shù)之間的關(guān)系；將動(dòng)態(tài)參數(shù)應(yīng)用于帽形結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)的仿真中，驗(yàn)證參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 材料力學(xué)性能參數(shù)的測(cè)定

帽形結(jié)構(gòu)所用到的材料為熱固性編織型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和6061-T6鋁合金，利用落錘機(jī)和夾具測(cè)定碳纖維的拉伸、剪切、壓縮力學(xué)性能參數(shù)和鋁合金的拉伸性能參數(shù)。進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)定所用樣件尺寸如圖1所示。左圖為拉伸和剪切樣件的尺寸，碳纖維拉伸和剪切實(shí)驗(yàn)采用2 mm厚的樣件，鋁合金拉伸實(shí)驗(yàn)采用1 mm厚的樣件；右圖為碳纖維壓縮實(shí)驗(yàn)樣件尺寸，厚度為6 mm；所有樣件整體尺寸均為63 mm×19 mm。圖2為實(shí)驗(yàn)樣件實(shí)物圖，從左到右依次為碳纖維拉伸、剪切、壓縮樣件和鋁合金拉伸樣件。

圖1 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)樣件尺寸

圖2 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)樣件實(shí)物圖

動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)由落錘機(jī)和所設(shè)計(jì)的夾具完成，圖3所示為落錘試驗(yàn)機(jī)和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，Liu等[16]對(duì)于拉伸實(shí)驗(yàn)和壓縮實(shí)驗(yàn)所用夾具的原理進(jìn)行了介紹，如圖4所示。左圖為動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)所用夾具原理圖，實(shí)驗(yàn)樣件的上端與固定框架連接在一起，下端與移動(dòng)框架連接在一起，彈性塊承受來(lái)自落錘的沖擊力使移動(dòng)框架向下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣件的拉伸；右圖為動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)所用夾具原理圖，實(shí)驗(yàn)樣件直接與底座相連，通過(guò)落錘沖擊彈性塊直接實(shí)現(xiàn)對(duì)樣件的壓縮。為平衡受力，在拉伸和剪切實(shí)驗(yàn)中采用聚氨酯橡膠彈性塊，在壓縮實(shí)驗(yàn)中采用膠乳橡膠彈性塊。

圖3 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)工作場(chǎng)景

圖4 材料動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試夾具原理圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)上下力傳感器分別通過(guò)信號(hào)放大器與采集卡相連，采集卡將力的信息傳輸?shù)诫娔X上，高速攝像機(jī)采集預(yù)先在表面噴涂好散斑的試驗(yàn)樣件照片信息，經(jīng)過(guò)DIC處理可獲得應(yīng)變信息，最終得到各自的應(yīng)力應(yīng)變曲線，斜率即為彈性模量。通過(guò)式(1)和(2)來(lái)計(jì)算碳纖維拉伸、剪切強(qiáng)度。碳纖維壓縮強(qiáng)度和鋁合金拉伸強(qiáng)度計(jì)算方法與碳纖維拉伸強(qiáng)度相同，由于鋁合金沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái)，所以以產(chǎn)生0.2%的變形處的應(yīng)力來(lái)得到屈服強(qiáng)度。

(1)

式中：σt為拉伸強(qiáng)度，MPa；Ftmax為最大拉伸載荷，N；A為拉伸樣件的橫截面積，mm2。

(2)

式中：τ12為面內(nèi)剪切應(yīng)力，MPa；F12max為剪應(yīng)變不大于5%處的最大載荷，N；A為剪切樣件的橫截面積，mm2。

碳纖維和鋁合金的靜態(tài)參數(shù)通過(guò)拉伸機(jī)測(cè)得，碳纖維的靜態(tài)參數(shù)采用已經(jīng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，鋁合金根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)拉伸實(shí)驗(yàn)樣件，樣件的具體尺寸、實(shí)物圖及拉伸后的斷裂情況如圖5所示，樣件厚度為2.5 mm，萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)速度設(shè)為2 mm/min。拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)載荷的施加與載荷位移曲線的記錄，得到的載荷位移曲線如圖6所示。

圖5 鋁合金靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)樣件及尺寸

圖6 鋁合金靜態(tài)拉伸載荷位移曲線

實(shí)驗(yàn)樣件提前噴涂散斑采用DIC技術(shù)測(cè)得應(yīng)變信息，應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線如圖7所示，參數(shù)計(jì)算方法與動(dòng)態(tài)參數(shù)相同。

圖7 鋁合金靜態(tài)拉伸應(yīng)變時(shí)間曲線

對(duì)碳纖維和鋁合金的動(dòng)靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行匯總，如表1所示。碳纖維的拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度均有所減弱，拉伸彈性模量、壓縮彈性模量變化不大，面內(nèi)剪切彈性模量大幅度的減弱；鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所增加，而彈性模量、泊松比、拉伸失效應(yīng)變變化不大。總體來(lái)看，碳纖維和鋁合金都具有應(yīng)變率效應(yīng)。

表1 材料靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)比較

2 材料的應(yīng)變率效應(yīng)

應(yīng)變率是材料的應(yīng)變對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，應(yīng)變率效應(yīng)是指材料的力學(xué)性能會(huì)隨應(yīng)變率的大小發(fā)生變化的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[17]將線彈性模型與威布爾函數(shù)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)比碳纖維增強(qiáng)鋁合金層合板在不同拉伸應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)，得到碳纖維增強(qiáng)鋁合金層合板是應(yīng)變率敏感材料的結(jié)論，并給出了拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化關(guān)系。

(3)

(4)

碳纖維的材料參數(shù)與對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率之間的關(guān)系：

鋁合金的拉伸性能參數(shù)與拉伸應(yīng)變率的關(guān)系:

由于碳纖維和鋁合金的強(qiáng)度受應(yīng)變率的影響較大，而材料的強(qiáng)度由最大應(yīng)力決定，所以進(jìn)一步探究材料的應(yīng)變率對(duì)于材料應(yīng)力的影響，深入研究材料的應(yīng)變率效應(yīng)。分別用指數(shù)函數(shù)、三次多項(xiàng)式、冪函數(shù)擬合應(yīng)力與應(yīng)變率之間的關(guān)系，對(duì)于碳纖維拉伸、剪切、壓縮應(yīng)力以及鋁合金的拉伸應(yīng)力與相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率之間的關(guān)系擬合的結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 碳纖維應(yīng)力隨應(yīng)變率變化曲線

圖9 鋁合金拉伸應(yīng)力隨應(yīng)變率變化曲線

擬合后的三次多項(xiàng)式依次表示為：

σ<250時(shí)

250≤σ<450時(shí)

從圖中可以直觀地看出，在低應(yīng)變率范圍之內(nèi)，碳纖維的拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加而增加，而壓縮應(yīng)力則隨著應(yīng)變率的增加而減?。讳X合金的拉伸應(yīng)力在應(yīng)力值較低的范圍之內(nèi)隨著應(yīng)變率的增加而增加，在應(yīng)力值較高的范圍之內(nèi)隨著應(yīng)變率的增加而減小。在3種函數(shù)對(duì)于應(yīng)力和應(yīng)變率之間的關(guān)系進(jìn)行擬合的結(jié)果中可以得出，三次多項(xiàng)式具有較好的擬合效果，并且擬合優(yōu)度均達(dá)到了0.9以上，這說(shuō)明在一定范圍之內(nèi)，三次多項(xiàng)式可以很好的表示材料應(yīng)力與應(yīng)變率之間的關(guān)系。

在應(yīng)力與應(yīng)變率的擬合三次多項(xiàng)式關(guān)系中能夠清晰的體現(xiàn)出應(yīng)力變化的快慢，為進(jìn)一步分析應(yīng)變率對(duì)于強(qiáng)度影響的內(nèi)在機(jī)制奠定良好的基礎(chǔ)。碳纖維的拉伸應(yīng)力隨著拉伸應(yīng)變率的增加變化速度越來(lái)越快，應(yīng)變率效應(yīng)加速了碳纖維拉伸應(yīng)力達(dá)到極限值的過(guò)程，從而使得最大拉伸強(qiáng)度降低，剪切強(qiáng)度表現(xiàn)出了與拉伸強(qiáng)度相同的規(guī)律，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度有所降低的參數(shù)測(cè)量結(jié)果一致；而壓縮應(yīng)變率整體變化范圍比較小，隨著壓縮應(yīng)變率的增加，壓縮應(yīng)力降低的速度沒(méi)有明顯的變化，僅在某一范圍內(nèi)出現(xiàn)了加速的趨勢(shì)，壓縮應(yīng)力與壓縮應(yīng)變率之間呈現(xiàn)出接近線性的關(guān)系，應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)于壓縮強(qiáng)度的影響不大，動(dòng)態(tài)參數(shù)較靜態(tài)參數(shù)的降低也有所減少；在應(yīng)變率對(duì)于鋁合金拉伸強(qiáng)度的影響中則表現(xiàn)出了更為復(fù)雜的影響機(jī)制，在某一個(gè)應(yīng)力值的前后表現(xiàn)出了隨著應(yīng)變率增大先增加后降低的趨勢(shì)，并且這一應(yīng)力值接近于準(zhǔn)靜態(tài)情況下測(cè)得的拉伸強(qiáng)度，在兩段不同的變化范圍內(nèi)應(yīng)變率的增加都加快了變化的速度，這說(shuō)明鋁合金的拉伸應(yīng)力在接近這一特定值時(shí)受應(yīng)變率的影響較大，因而遠(yuǎn)離這一特定值時(shí)放緩了應(yīng)力達(dá)到極限值的速度，進(jìn)而強(qiáng)度值增大。

3 帽形結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)與仿真

3.1 帽形結(jié)構(gòu)制備與低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行落錘沖擊所需的實(shí)驗(yàn)樣件通過(guò)高溫?zé)釅撼尚椭苽洌x用的碳纖維和鋁合金與進(jìn)行參數(shù)測(cè)定的材料相同，先將鋁合金在模具上預(yù)壓出上層和下層帽形結(jié)構(gòu)，再將4層碳纖維與預(yù)壓的鋁合金按照一定堆疊順序整體放入熱壓機(jī)中一體成型，最后將整個(gè)模具放在模壓成型機(jī)中加熱加壓成型，所選用壓力和溫度與制備碳纖維參數(shù)測(cè)試樣件時(shí)相同，固化結(jié)束后停止機(jī)器工作，自然冷卻。帽形結(jié)構(gòu)上層和下層是0.5 mm厚的鋁合金，中間是1 mm厚的碳纖維，碳纖維均采用0°鋪層，共2 mm的厚度，帽形結(jié)構(gòu)的截面尺寸如圖10所示。

圖10 帽形結(jié)構(gòu)截面尺寸圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)，帽形結(jié)構(gòu)采用兩端固支的方式固定在夾具上，中間預(yù)留出245 mm的工作長(zhǎng)度，錘頭上的力傳感器通過(guò)信號(hào)放大器與采集卡相連，將錘頭受力信息傳入到電腦中。圖11展示了落錘沖擊實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備場(chǎng)景，包含信號(hào)采集系統(tǒng)和樣件固定方式。

圖11 落錘沖擊實(shí)驗(yàn)信號(hào)采集系統(tǒng)和樣件固定方式

錘頭加上配重的質(zhì)量一共為26 kg，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將錘頭分別升至204、319、459 mm的高度，獲得2、2.5、3 m/s的初速度，每個(gè)速度下進(jìn)行了3次沖擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)3次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果取平均值，帽形結(jié)構(gòu)在不同的沖擊速度下所受的沖擊力隨時(shí)間的變化曲線如圖12所示。

圖12 不同沖擊速度下的力隨時(shí)間變化曲線

3.2 帽形結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊仿真分析

為驗(yàn)證動(dòng)態(tài)參數(shù)應(yīng)用于動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)仿真中的有效性，分別使用2種參數(shù)對(duì)落錘沖擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行仿真模擬。首先建立幾何模型，再將幾何模型導(dǎo)入到Hypermesh中進(jìn)行前處理，固定兩端節(jié)點(diǎn)的自由度，在受力較集中的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，保證計(jì)算精度。落錘沖擊實(shí)驗(yàn)仿真模型如圖13所示。

圖13 落錘沖擊實(shí)驗(yàn)仿真模型

在材料的選擇上，碳纖維采用LS-DYNA中的MAT58號(hào)材料進(jìn)行模擬，根據(jù)破壞表面的類型，該材料可用于模擬具有單向?qū)?、完整層壓板和機(jī)織物的復(fù)合材料，失效準(zhǔn)則以Hashin失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，可以有效地判斷復(fù)合材料的拉伸、壓縮、剪切失效，其中的漸進(jìn)失效參數(shù)需要不斷地嘗試、對(duì)標(biāo)得出，如表2所示。

表2 碳纖維漸進(jìn)失效參數(shù)

鋁合金采用MAT24號(hào)材料來(lái)進(jìn)行模擬，由于材料在彈性階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線相同，所以彈性階段用彈性模量表示，在應(yīng)力應(yīng)變曲線輸入中僅需輸入塑性階段應(yīng)力應(yīng)變曲線。纖維層和金屬層通過(guò)熱壓成型高溫固化相連接，2種材料中間的截面則是通過(guò)定義接觸類型*CONTACT_AUTOMOTIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBRACK來(lái)進(jìn)行模擬，考慮張開型、滑開型和斷裂型3種失效模式，所用到的參數(shù)如表3所示。

表3 膠接層材料參數(shù)

采用動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)分別對(duì)3個(gè)沖擊速度的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。帽形結(jié)構(gòu)最終的破壞情況在仿真中的結(jié)果如圖14所示，在2 m/s和2.5 m/s的沖擊速度下，帽形結(jié)構(gòu)未發(fā)生斷裂，只是在受力區(qū)域出現(xiàn)了凹陷，且沖擊速度越大，凹陷的范圍越大，在3 m/s的沖擊速度下出現(xiàn)了斷裂，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。力隨時(shí)間變化曲線如圖15所示。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，動(dòng)態(tài)參數(shù)仿真結(jié)果在峰值力上略低于真實(shí)值，在有效沖擊時(shí)間上略大于真實(shí)時(shí)間，這可能是實(shí)驗(yàn)誤差以及仿真條件過(guò)于理想化等因素造成的；動(dòng)態(tài)參數(shù)與靜態(tài)參數(shù)仿真結(jié)果相比，更加接近真實(shí)地動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程，在誤差允許的范圍內(nèi)可以有效模擬動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)。

圖14 帽形結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖15 帽形結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊力隨時(shí)間變化曲線

3.3 帽形結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)于不同速度下的沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，探究纖維金屬材料帽形結(jié)構(gòu)沖擊速度對(duì)于帽形結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響，對(duì)所得到的力隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行處理，由沖擊力隨時(shí)間變化曲線根據(jù)牛頓第二定律得到加速度對(duì)時(shí)間變化曲線，再按照式(5)進(jìn)行積分運(yùn)算得到速度隨時(shí)間變化曲線，再按照式(6)進(jìn)行積分運(yùn)算得到位移隨時(shí)間變化曲線，按照式(7)計(jì)算吸收的能量。不同沖擊速度下采用纖維金屬帽形結(jié)構(gòu)的吸收能量隨時(shí)間變化曲線如圖16所示，相關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 不同沖擊速度下帽形結(jié)構(gòu)相關(guān)性能參數(shù)

圖16 不同沖擊速度下吸收能量隨時(shí)間變化曲線

(5)

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(7)

通過(guò)分析可知，隨著沖擊速度的增加，整個(gè)沖擊過(guò)程所用時(shí)間越短，達(dá)到的有效位移越小，吸收的能量越多，達(dá)到的峰值力越高，比吸能增加，吸能性能指標(biāo)降低。由此可見(jiàn)，沖擊速度越快，對(duì)于帽形結(jié)構(gòu)造成破壞的速度越快，產(chǎn)生的塑性變形越大直至發(fā)生斷裂，結(jié)構(gòu)會(huì)承受更大的沖擊載荷，進(jìn)而吸能性降低，這與現(xiàn)實(shí)生活中速度越快的碰撞會(huì)造成越大程度地破壞是一致的。

在2 m/s的沖擊速度下，不改變帽形結(jié)構(gòu)的尺寸，對(duì)鋁合金、碳纖維、碳纖維鋁合金3種不同材料的帽形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低速?zèng)_擊仿真，仿真結(jié)果的受力曲線如圖17所示，相關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)表5。鋁合金材料的帽形結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了較小的變形，可以承受較高的沖擊載荷和吸收更多的能量，但是質(zhì)量較高，沖擊過(guò)程中破壞速度較快，比吸能較低；碳纖維具有較輕的質(zhì)量，比吸能較高，沖擊過(guò)程破壞時(shí)間較短，但是發(fā)生較大的變形，承受的沖擊載荷較低，吸能效果較差；纖維金屬材料不僅具有較好的吸能性能，而且具有較高的比吸能，因而可以更好地應(yīng)用于對(duì)吸能性和輕量化要求高的結(jié)構(gòu)中。

圖17 3種材料低速?zèng)_擊仿真力隨時(shí)間變化曲線(V0=2 m/s)

表5 不同材料帽形結(jié)構(gòu)相關(guān)性能參數(shù)

4 結(jié)論

1)碳纖維和鋁合金2種材料在中低速應(yīng)變率下都具有應(yīng)變率效應(yīng)，不同材料力學(xué)性能受應(yīng)變率的影響不同。通過(guò)對(duì)碳纖維和鋁合金動(dòng)靜態(tài)參數(shù)的對(duì)比分析，結(jié)果表明應(yīng)變率主要通過(guò)影響材料的強(qiáng)度來(lái)影響材料性能；進(jìn)一步分析應(yīng)變率影響材料強(qiáng)度的機(jī)制，碳纖維和鋁合金表現(xiàn)出了不同的規(guī)律，三次多項(xiàng)式可以很好地?cái)M合應(yīng)變率與應(yīng)力之間的關(guān)系，應(yīng)變率主要通過(guò)影響應(yīng)力的變化速率來(lái)影響材料的強(qiáng)度；對(duì)纖維金屬材料帽形結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)仿真分析發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)參數(shù)具有較好的擬合效果，驗(yàn)證了考慮材料應(yīng)變率效應(yīng)的必要性。

2)纖維金屬材料具有較好的吸能效果和輕量化效果。纖維金屬材料在抗沖擊性能研究中，在不同的沖擊速度下都表現(xiàn)出了較好的吸能效果；在與碳纖維和鋁合金的比較中同樣具有優(yōu)良的抗沖擊性能，因而纖維金屬材料具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。