復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊損傷累積特性實驗研究

沈云龍，李應(yīng)剛，4，黃鑫華，王全華，朱 凌，王緯波

（1.高性能艦船技術(shù)教育部重點實驗室（武漢理工大學(xué)），武漢 430063；2.武漢理工大學(xué)船海與能源動力工程學(xué)院，武漢 430063；3.武漢理工大學(xué)產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，武漢 430063；4.武漢理工大學(xué)三亞科教創(chuàng)新園，海南三亞 572025；5.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

0 引 言

近年來，隨著高技術(shù)船舶朝著綠色化、輕量化方向發(fā)展，復(fù)合材料及其夾芯結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的力學(xué)性能吸引了造船界的關(guān)注。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)作為一種高強(qiáng)度、高模量、耐疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計性強(qiáng)的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，很好地滿足了輕量化以及各種復(fù)雜載荷工況的要求，其在船舶與海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大[1-2]。

然而，船舶與海洋工程裝備在航行與作業(yè)過程中極有可能遭受沖擊載荷作用[3]，復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)對沖擊載荷十分敏感，承受低速沖擊便可能出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致剩余強(qiáng)度明顯下降，降低了結(jié)構(gòu)的安全性。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對沖擊載荷下復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)損傷特性與安全性評估開展了大量研究工作，取得了顯著的研究成果。例如，挪威科技大學(xué)Hayman 和Echtermeyer[4]采用理論分析與實驗測試相結(jié)合的方法研究了開孔、裂紋以及沖擊損傷等局部損傷對艦用PVC 泡沫復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)性能劣化的影響，為受損艦船復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度與安全性評估奠定了基礎(chǔ)。Liu 等[5]采用數(shù)值模擬與實驗方法研究了復(fù)合材料夾芯板沖擊損傷特性，開展了受損復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的壓縮力學(xué)特性與剩余強(qiáng)度評估。

值得注意的是，船舶與海洋工程裝備不僅會遭受單次沖擊載荷作用，而且經(jīng)常會遭受反復(fù)動載荷作用，如浮冰碰撞、直升機(jī)降落、補(bǔ)給船?？康扰鲎草d荷以及波浪砰擊載荷等，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)累積損傷與破壞[6-9]。武漢理工大學(xué)朱凌等[10-13]采用試驗、數(shù)值和理論方法對反復(fù)碰撞載荷下船體板、加筋板以及船用多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了每次碰撞過程中碰撞力時間歷程、變形時間歷程、最終累積塑性變形、回彈效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)剛度變化。研究表明，隨著剛性質(zhì)量塊碰撞次數(shù)的增加，船體結(jié)構(gòu)的卸載剛度逐漸變大。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)研究對象均由彈塑性金屬材料構(gòu)成，其反復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)主要以結(jié)構(gòu)塑性變形累積為主。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)由復(fù)合材料上下面板與輕質(zhì)芯層構(gòu)成，在沖擊載荷作用下可能產(chǎn)生面板纖維斷裂、基體開裂和層間分層以及芯材壓潰、剪切破壞和與面板脫粘等損傷模式，復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)反復(fù)沖擊損傷累積特性與損傷模式演化規(guī)律尚不清楚。

本文采用INSTRON 9350落錘沖擊試驗機(jī)進(jìn)行復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊實驗，研究反復(fù)沖擊載荷作用下復(fù)合材料夾芯板動態(tài)響應(yīng)，揭示其反復(fù)沖擊損傷累積特性與演化機(jī)制，為其在艦船結(jié)構(gòu)輕量化與安全可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與試驗

1.1 復(fù)合材料夾芯板

本文加工制備的復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)由復(fù)合材料上下面板、輕質(zhì)芯材以及面板與芯材之間的環(huán)氧樹脂粘結(jié)層組成，其中復(fù)合材料上下面板為日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，芯層為瑞典Diab公司生產(chǎn)的Divinycell H 系列PVC泡沫輕質(zhì)芯材，復(fù)合材料面板與PVC泡沫芯層采用環(huán)氧樹脂粘接連接。碳纖維復(fù)合材料面板制造過程中采用T300 碳纖維作為增強(qiáng)纖維，碳纖維板專用樹脂（碳板膠）作為基體材料。將碳纖維預(yù)浸布按照[0°/90°]4鋪層后加壓熱固化成型，單層厚度為0.125 mm。固化工藝流程為：采用真空成型工藝來制備碳纖維復(fù)合材料板，連同模具放入烘箱，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，讓碳纖維預(yù)浸料在120°C 溫度下保持40 分鐘，后在160°C 溫度下保持1 小時，成型過程中壓力保持為3 MPa。固化成型后使用切割機(jī)對制備好的碳纖維復(fù)合材料板進(jìn)行切割，切割后試樣的尺寸為150 mm×150 mm×1 mm。單層T300 碳纖維預(yù)浸布材料力學(xué)性能參數(shù)詳見表1 所示。芯層選取Divinycell H80 PVC泡沫芯材，其密度為80 kg/m3，尺寸為150 mm×150 mm×15 mm。Divinycell H80 PVC泡沫材料力學(xué)性能參數(shù)詳見表2。

表1 單層T300碳纖維預(yù)浸布力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of T300 carbon fiber prepreg

表2 Divinycell H80 PVC泡沫材料力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of Divinycell H80 PVC

1.2 復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊實驗

復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊實驗采用INSTRON CEAST 9350 落錘沖擊試驗機(jī)進(jìn)行，如圖1 所示。INSTRON CEAST 9350 沖擊試驗機(jī)為落地式實驗系統(tǒng)，由沖擊塔、試驗箱、試驗夾具、控制器等構(gòu)件組成，具有氣動控制的防回彈系統(tǒng)，可以有效避免復(fù)合材料夾芯板單次沖擊實驗過程中發(fā)生二次沖擊現(xiàn)象。為了避免復(fù)合材料夾芯板試樣初始損傷，復(fù)合材料面板材料不便于打孔，采用螺栓連接固定約束，實驗過程中將復(fù)合材料夾芯板試樣安裝在帶有150 mm×150 mm 矩形凹槽的剛性支撐結(jié)構(gòu)中，同時采用4 根桿子壓住試板上面板，以達(dá)到?jīng)_擊試驗過程中約束復(fù)合材料夾芯板試樣的目的。實驗過程中采用半徑為20 mm 的半球形沖頭，沖頭通過螺紋與沖擊桿相連，沖頭內(nèi)置力傳感器。復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊損傷特性試驗工況如表3所示，實驗過程中考慮了40 J、60 J和120 J三種不同沖擊能量動態(tài)加載試驗。在沖擊試驗前，先對所有夾芯板試樣進(jìn)行目視檢查，確保無初始損傷。采用INSTRON CEAST 9350 落錘沖擊試驗機(jī)完成低速沖擊試驗后，使用相機(jī)記錄下夾芯板試樣上下面板的損傷形貌。通過沖頭內(nèi)置力傳感器監(jiān)測得到?jīng)_擊過程中的瞬態(tài)沖擊力，實驗測試數(shù)據(jù)經(jīng)過DAS 64K 系統(tǒng)進(jìn)行采集，并在PC 機(jī)上的CEASTVIEW 軟件中分析和處理，最終得到?jīng)_擊力時程曲線、位移時程曲線、能量時程曲線等動態(tài)沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖1 復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊實驗裝置Fig.1 Impact testing machine of the composite sandwich panel

表3 復(fù)合材料夾芯板沖擊試驗工況Tab.3 Impact experimental tests of the composite sandwich panel

2 復(fù)合材料夾芯板沖擊損傷特性

2.1 單次沖擊損傷特性

本文首先采用INSTRON CEAST 9350落錘沖擊試驗機(jī)進(jìn)行了40 J、60 J和120 J三種不同沖擊能量下復(fù)合材料夾芯板單次沖擊動態(tài)加載試驗，圖2 為復(fù)合材料夾芯板在不同沖擊能量下上表面結(jié)構(gòu)損傷圖。從圖中可以看到，當(dāng)單次沖擊能量為40 J時，復(fù)合材料夾芯板沖擊損傷模式主要表現(xiàn)為上面板局部凹陷與基體開裂，且基體開裂方向與纖維鋪層角度一致。當(dāng)單次沖擊能量為60 J 和120 J 時，復(fù)合材料夾芯板沖擊損傷模式不僅表現(xiàn)為局部凹陷與基體開裂，還出現(xiàn)了明顯的面板開裂與纖維束的斷裂，同時伴有芯層與面板的界面層脫粘。隨著單次沖擊能量的增大，復(fù)合材料夾芯板面板局部損傷面積逐漸擴(kuò)大，局部凹陷深度逐漸增加，PVC泡沫芯層壓縮變形增加，損傷模式也發(fā)生了顯著變化。

圖2 復(fù)合材料夾芯板損傷對比圖Fig.2 Damage diagram of the composite sandwich panel

為了進(jìn)一步定量分析復(fù)合材料夾芯板單次沖擊動態(tài)響應(yīng)與損傷特性，我們測試得到三種不同能量沖擊下復(fù)合材料夾芯板的沖擊力-時程曲線和沖擊力-位移曲線，如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沖擊能量為40 J時，復(fù)合材料夾芯板在沖擊過程中接觸力迅速到達(dá)6500 N峰值，在到達(dá)峰值以后迅速下降，低能量沖擊下復(fù)合材料夾芯板動態(tài)響應(yīng)與彈塑性金屬材料結(jié)構(gòu)類似，沖擊力時程曲線表現(xiàn)為半波正弦脈沖形式，同時沖擊力-位移曲線中位移達(dá)到最大值后由于結(jié)構(gòu)彈性效應(yīng)出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象。當(dāng)沖擊能量為60 J時，復(fù)合材料夾芯板沖擊力迅速到達(dá)7000 N峰值后迅速下降，下降過程中出現(xiàn)了一個較長的沖擊力平臺階段。分析原因是由于60 J 沖擊能量作用下，復(fù)合材料夾芯板面板發(fā)生基體開裂與纖維斷裂損傷，導(dǎo)致沖擊力峰值迅速下降而造成的。PVC 泡沫夾芯參與承受主要沖擊載荷，由于PVC 泡沫材料應(yīng)力應(yīng)變曲線中存在應(yīng)力平臺，使沖擊力時程曲線和位移曲線中出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力平臺現(xiàn)象。當(dāng)沖擊能量增大為120 J 時，復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)的沖擊力出現(xiàn)了兩次峰值，且兩峰值之間還有一段應(yīng)力平臺。分析原因是由于較高能量沖擊下復(fù)合材料夾芯板發(fā)生了局部凹陷、基體開裂和纖維斷裂等損傷，引起第一個沖擊力峰值降低現(xiàn)象。同時，上面板在沖擊過程中發(fā)生失效，PVC 泡沫芯層參與抵抗沖擊，出現(xiàn)較長的一段應(yīng)力平臺。隨著泡沫芯層壓縮變形逐漸增大，泡沫芯層與下面板聯(lián)合參與承受主要沖擊載荷，沖擊力再次出現(xiàn)峰值，且峰值力高于第一次。

圖3 復(fù)合材料夾芯板單次沖擊動態(tài)響應(yīng)Fig.3 Single impact dynamic responses of the composite sandwich panel

2.2 反復(fù)沖擊損傷累積特性

采用INSTRON CEAST 9350 落錘沖擊試驗機(jī)進(jìn)行了40 J 和60 J 沖擊能量下復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊動態(tài)加載試驗，得到復(fù)合材料面板反復(fù)沖擊損傷累積特性，如圖4 所示，通過激光線切割技術(shù)得到復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊損傷橫剖面，如圖5所示。從圖4可以看到，當(dāng)單次沖擊能量為40 J時，復(fù)合材料夾芯板沖擊損傷模式主要表現(xiàn)為上面板局部凹陷與基體開裂。第一次沖擊后，面板便出現(xiàn)了明顯的凹坑。第二次沖擊后，凹坑面積變大，并且沖擊中心區(qū)域出現(xiàn)了明顯的基體開裂。隨著沖擊次數(shù)的增加，復(fù)合材料夾芯板面板局部凹陷面積與深度逐漸增大，基體開裂尺度逐漸擴(kuò)大，裂痕由沖擊區(qū)域向外延伸，復(fù)合材料夾芯板逐漸出現(xiàn)了復(fù)合材料面板分層損傷、界面層脫粘以及泡沫芯層剪切等損傷模式。當(dāng)單次沖擊能量為60 J 時，復(fù)合材料夾芯板在第一次沖擊載荷作用下?lián)p傷模式主要表現(xiàn)為上面板局部凹陷與基體開裂。隨著沖擊次數(shù)的增加，復(fù)合材料夾芯板面板局部凹陷與基體開裂損傷不斷累積，芯層壓縮變形逐漸增加，同時出現(xiàn)了面板纖維斷裂與分層損傷、面板與芯層出現(xiàn)脫粘以及泡沫芯層剪切與破裂等損傷模式。綜上可知，反復(fù)沖擊載荷作用下復(fù)合材料夾芯板不僅會導(dǎo)致動態(tài)變形與損傷程度不斷累積，而且還可能產(chǎn)生損傷模式演化。

圖4 復(fù)合材料面板反復(fù)沖擊損傷模式Fig.4 Repeated impact damage modes of the composite panel

圖5 復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊損傷橫剖面圖Fig.5 Cross section of repeated impact damage of the composite sandwich panel

根據(jù)Belingardi 等[14]的研究結(jié)論，反復(fù)沖擊中最大接觸力的大小可以用兩種相反的破壞機(jī)理來進(jìn)行解釋。一方面，首次沖擊將沖擊點處的基體壓實，并可能發(fā)生應(yīng)變硬化，使得沖擊區(qū)域的局部剛度變大，為后續(xù)沖擊提供了更“硬”的表面，這會使得最大接觸力增大。另一方面，沖擊造成的纖維和基體損傷會降低夾芯板的力學(xué)性能，導(dǎo)致最大接觸力減小。為了進(jìn)一步分析復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)與損傷特性，我們采集得到40 J和60 J能量反復(fù)沖擊下復(fù)合材料夾芯板的沖擊力-時程曲線和沖擊力-位移曲線，如圖6 所示。由圖6（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單次沖擊能量為40 J 時，隨著反復(fù)沖擊次數(shù)的增加，沖擊力時程曲線與彈塑性金屬材料結(jié)構(gòu)類似，始終保持為半正弦脈沖形式，這是由于40 J 能量反復(fù)沖擊作用下復(fù)合材料夾芯板面板主要起到抵抗沖擊與能量吸收作用，泡沫芯層與下面板的貢獻(xiàn)很小，反復(fù)沖擊作用下復(fù)合材料上面板損傷模式體現(xiàn)為面板局部凹陷與基體開裂。另一方面，隨著反復(fù)沖擊次數(shù)的增加，復(fù)合材料上面板局部凹陷與基體開裂損傷逐漸累積，接觸剛度逐漸下降，從而導(dǎo)致復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊作用下接觸沖擊力峰值逐漸降低，沖擊接觸時間逐漸延長，沖擊力位移曲線中加卸載剛度逐漸降低。這與文獻(xiàn)中彈塑性金屬材料結(jié)構(gòu)反復(fù)沖擊塑性變形累積特性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)化效應(yīng)機(jī)制具有顯著差異[10-13]。

由圖6（c）和（d）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單次沖擊能量為60 J時，由于PVC泡沫芯層參與承受沖擊載荷，沖擊力時程曲線和位移曲線均出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力平臺現(xiàn)象。第一次沖擊載荷作用下復(fù)合材料夾芯板上面板發(fā)生基體開裂與纖維斷裂，導(dǎo)致接觸沖擊力峰值出現(xiàn)迅速降低。隨著反復(fù)沖擊次數(shù)的增加，復(fù)合材料上面板累積損傷范圍不斷增大，面板損傷模式基本保持不變，PVC泡沫芯層與下面板逐漸起到承載抗沖擊與能量吸收主導(dǎo)作用，PVC 泡沫材料孔洞逐漸被壓實，泡沫芯層發(fā)生剪切與破裂損傷，壓縮變形不斷累積直至密實化，使得沖擊區(qū)域的局部剛度變大，為后續(xù)沖擊提供了更“硬”的表面，接觸沖擊力峰值逐漸升高，沖擊接觸時間基本保持不變，沖擊力位移曲線中加卸載剛度逐漸降低。

圖6 復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)Fig.6 Dynamic responses of the composite sandwich panel under repeated impact

圖7 復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)彎曲剛度曲線Fig.7 Bending stiffness of the composite sandwich panel

為了揭示復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)與累積損傷演化機(jī)制，我們計算得到反復(fù)沖擊載荷下復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)彎曲剛度-沖擊次數(shù)變化曲線，如圖7 所示，其中夾芯板結(jié)構(gòu)的彎曲剛度即為沖擊力-位移曲線的斜率。由圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著反復(fù)沖擊次數(shù)的增加，復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)彎曲剛度逐漸降低。與彈塑性金屬材料結(jié)構(gòu)反復(fù)沖擊發(fā)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)化現(xiàn)象不同，復(fù)合材料夾芯板反復(fù)沖擊加載時出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)弱化現(xiàn)象。分析原因是由于反復(fù)沖擊載荷作用下復(fù)合材料上面板局部凹陷、基體開裂以及纖維斷裂等損傷不斷擴(kuò)大，PVC 泡沫芯層不斷發(fā)生芯層剪切與壓縮變形，導(dǎo)致復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)的加卸載剛度逐漸降低。

為了進(jìn)一步深入研究復(fù)合材料夾芯板沖擊動態(tài)響應(yīng)與損傷特性，保持總沖擊能量為120 J，對比分析了（40 J+40 J+40 J）、（60 J+60 J）與（120 J）三種加載方式對復(fù)合材料夾芯板沖擊損傷的影響，結(jié)果如圖8 所示。由圖可知，在總沖擊能量保持一定的條件下，單次沖擊加載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷與破壞最大。隨著反復(fù)沖擊次數(shù)的增加，復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)沖擊損傷逐漸減小，損傷模式具有顯著差異，分析原因主要是由于復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)整體彈性效應(yīng)引起。

圖8 沖擊能量加載方式對復(fù)合材料夾芯板沖擊損傷的影響Fig.8 Effect of impact energy loading mode on impact damage of the composite sandwich panel

3 結(jié) 論

本文采用INSTRON 9350 落錘沖擊試驗機(jī)進(jìn)行了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料PVC 泡沫夾芯板反復(fù)沖擊加載實驗，研究了反復(fù)沖擊載荷下復(fù)合材料夾芯板動態(tài)響應(yīng)與損傷累積演化機(jī)制。根據(jù)沖擊試驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）隨著單次沖擊能量的增加，復(fù)合材料夾芯板經(jīng)歷了從復(fù)合材料面板局部凹陷和基體開裂損傷發(fā)展為面板局部凹陷、基體開裂、纖維斷裂以及PVC泡沫芯層剪切與破裂損傷的沖擊損傷模式演化過程。

（2）反復(fù)沖擊載荷作用下復(fù)合材料夾芯板不僅會導(dǎo)致動態(tài)變形與損傷程度不斷累積，而且還可能產(chǎn)生損傷模式演化。隨著反復(fù)沖擊次數(shù)的增加，復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)彎曲剛度逐漸降低，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的弱化現(xiàn)象。

（3）保持總沖擊能量一定的條件下，單次沖擊加載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷與破壞最大。隨著反復(fù)沖擊次數(shù)的增加，復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)沖擊損傷逐漸減小。