混雜復合材料層合板抗沖擊性能研究

張超鋒 韓超超 朱佳佳

（1 江南大學機械工程學院，無錫 214122）

（2 江南航天機電工業有限公司，蘇州 215300）

文 摘 為了探究復合材料層合板在實際應用中因承受沖擊載荷而造成的結構安全問題，本研究采用實驗和仿真相結合的方法，首先探究沖頭形狀對復合材料層合板損傷機理的影響，然后結合不同沖擊能進一步揭示層合板的承載力和能量吸收變化規律。結果表明，相同沖擊能下，層合板的損傷范圍和承載力隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增加；相應的層合板的臨界穿透能量隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大；沖頭形狀和沖擊能對層合板的吸能能力有較大的影響。

0 引言

復合材料層合板比強度高、比剛度高、可設計性強、抗疲勞性能好，廣泛應用于航空航天、建筑、交通運輸等領域［1-2］。但是復合材料在承受沖擊載荷后造成的損傷會降低其強度和剛度［3-4］。因此，探究復合材料層合板在低速重載下的抗沖擊性能在實際應用中具有重要意義［5］。

大多數研究是通過損傷模式、峰值力和能量吸收來評估復合材料層合板的抗沖擊性能［6-7］。在常見的纖維材料中，碳纖維層合板和玻璃纖維層合板在沖擊區域內會發生分層、基體開裂和纖維斷裂等損傷［8-9］。研究表明隨著層合板厚度的增加，其抗沖擊性能得到了改善，整體結構不易發生穿透損傷［10-11］。在實際應用中對層合板造成沖擊損傷的物體具有多種形狀，但是大多數學者是通過半球頭沖擊實驗展開對層合板抗沖擊性能的研究［4，12］。同時，現研究主要集中在單種纖維層合板的抗沖擊性能研究［13-14］，對多種纖維混雜編織而成的層合板的抗沖擊性能尚未展開深入研究。為此，本文通過實驗和仿真相結合的方法，研究沖頭形狀對混雜復合材料層合板的損傷模式和抗沖擊性能的影響，可以為合理評估層合板低速重載沖擊下的損壞程度和力學性能提供參考。

1 實驗

1.1 試樣

復合材料層合板是由碳纖維/玻璃纖維混雜斜紋編織而成的，如圖1 所示。層合板的鋪層順序為［（0/90）C（±45）6G（0/90）C］（C 表示碳纖維，G 表示玻璃纖維），名義厚度為1.92 mm，共有8 層，每層厚度為0.24 mm。層合板試樣為邊長150 mm的正方形。

圖1 層合板試樣和示意圖Fig.1 Laminate specimen and schematic

1.2 試驗方案

本研究采用實驗和仿真相結合的方法研究層合板的抗沖擊性能。首先用圓錐沖頭對層合板進行低速重載沖擊。通過不同沖擊能展開層合板在圓錐頭下的沖擊損傷性能研究。同時，通過實驗和仿真的對比來驗證仿真的有效性。接著進一步探究層合板在半球頭和平頭下的沖擊損傷性能。最后對比分析3 種不同形狀的沖頭對層合板抗沖擊性能的影響。

研究計劃分為3 組，如表1 所示，圓錐頭、半球頭、平頭分別用C、H、F 來表示；沖頭質量均設定為31 kg，通過調節沖頭高度來調節沖擊能量。試樣編號的意義舉例如下：IE25-16C 表示沖頭是直徑為16 mm的圓錐頭，沖擊能是25 J。

表1 研究計劃Tab.1 Research program

1.3 試驗步驟

沖擊試驗機如圖2 所示。試驗機主要是由落錘系統、夾具和數據采集系統組成。夾具由兩個帶有邊長為125 mm 正方形切口的鋼板制作而成，層合板試樣被完全固定在夾具的正中心。為準確評估單次沖擊下層合板的抗沖擊特性，通過連桿機構防止落錘的二次沖擊。沖頭的載荷和速度歷程曲線通過數據采集系統獲得。

圖2 沖擊試驗機Fig.2 Impact testing machine

1.4 有限元模擬

圖3 有限元模型Fig.3 Schematic of the impact numerical model

在數值分析中采用Surface-to-surface 接觸。為了模擬實際工況，在模型中設置層合板四周和夾具完全固定。沖頭只允許Z方向的移動，并在沖頭參考點的Z方向上施加初速度預定義場。

模型中層合板的本構關系采用漸進失效模型。漸進失效理論被編進VUMAT 子程序中，并應用于層合板模型。層合板的力學性能如表2所示。

表2 層合板材料參數Tab.2 Mechanical properties of the laminate

層合板的失效準則如下：

緯向拉伸失效（ε11≥ 0）

層間壓縮失效（ε33＜ 0）

式中，下標1、2、3 分別表示緯向、經向和面外方向。?i表示每個主方向的應變，?ij表示i-j面的剪切應變。

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2 結果和討論

2.1 損傷模式

2.1.1 實驗結果

不同形狀的沖頭沖擊層合板的損傷實驗結果如表3所示。層合板上表面的沖擊區域有明顯的穿孔。下表面的穿孔損傷范圍隨著圓錐頭、半球頭和平頭依次增大。層合板損傷模式主要有纖維斷裂和分層。

表3 不同沖頭沖擊層合板的實驗損傷模式Tab.3 Experimental failure modes of laminate under different impactors

沖頭形狀對層合的板損傷模式影響很大。當沖頭為圓錐頭時，錐尖刺破層合板，使得部分纖維發生斷裂。層合板被錐尖刺破后會以擠壓損傷形式向四周逐漸擴展，形成擠壓穿孔損傷現象。當沖頭為半球頭時，半球頭撕裂纖維層，使得損傷范圍略大于圓錐頭沖擊下的層合板損傷范圍。而平頭由于沖壓效應導致層合板產生剪切穿孔損傷，同時沖擊區域周圍也呈現出明顯的微小纖維斷裂損傷。另外，由于層合板中碳纖維和玻璃纖維韌性的差異，3種沖頭都導致層合板的沖擊區域呈現纖維層分層損傷現象。

2.1.2 仿真結果

層合板的損傷仿真結果如表4所示，仿真與實驗的損傷情況保持一致。

表4 不同沖頭沖擊層合板的仿真損傷模式Tab.4 Numerical failure modes of laminate under different impactors

從仿真結果中可以更明顯的看出，層合板損傷區域范圍隨著圓錐頭、半球頭、平頭逐漸增大。圓錐頭沖擊下層合板的損傷主要集中在很小的區域內，損傷區域直徑約為沖頭直徑的1.7 倍。在半球頭沖擊下，損傷區域擴大至沖頭直徑的2.7倍。當沖頭為平頭時，損傷幾乎擴展到整個表面。

2.2 接觸力曲線

不同沖頭和層合板的接觸力歷程曲線如圖4 所示，實驗和仿真結果具有良好的一致性。接觸力曲線先是快速增加，達到峰值力后緩慢減小或者急劇下降。

圖4 不同沖頭下沖擊力歷程曲線對比Fig.4 Comparison of load-time curves under different impactors

在不同形狀的沖頭沖擊下，曲線的一次剛度隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大。這主要是試樣接觸力達到峰值的響應時間差異所導致。在相同的沖擊能下，圓錐頭達到峰值力所用時間要遠大于半球頭和平頭達到峰值力所用的時間。這是因為圓錐頭與層合板接觸是由一個點逐漸擴大的過程，因此消耗時間長。而平頭與層合板的接觸是整個面接觸，可在短時間內消耗能量。

2.3 承載力

2.3.1 不同能量下的承載力

不同沖頭沖擊層合板的承載力隨著沖擊能的變化如圖5所示。在同種沖頭沖擊下，層合板的承載力隨著沖擊能的增加而增加，直至層合板被完全穿透后承載力保持穩定值。層合板在超過其自身抗沖擊能力后就會發生局部穿透失效。

圖5 不同沖擊能下層合板的承載力曲線Fig.5 Bearing force of laminate under different impact energies

沖頭形狀對層合板的承載力影響較大。在相同的沖擊能下，層合板承載力隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大。同時可以看出，不同沖頭穿透層合板的沖擊能各有不同。圓錐頭、半球頭和平頭分別在約22、25、55 J的沖擊能下完全穿透層合板。

2.3.2 最大承載力

不同沖頭沖擊層合板產生的最大承載力如圖6所示。不同形狀沖頭沖擊層合板產生的最大承載力差異性較大。這主要是由于層合板的受力和承載面積相關。在圓錐頭沖擊下，層合板被錐尖刺破后損傷向四周逐漸擴展，沖擊影響范圍和承載面積較小。半球頭沖擊下，層合板被沖頭沖擊撕裂穿孔，承載面積相比于圓錐頭沖擊下的承載面積較大。而由于平頭的沖壓效應，層合板表現為整體大面積受力，其抗穿透能力最大。

圖6 不同沖頭下層合板的最大承載力Fig.6 Maximum bearing force of laminate under different impactors

2.4 能量吸收特性

2.4.1 能量吸收曲線

不同沖擊條件下，層合板的能量吸收曲線如圖7所示。同種沖頭沖擊下，夾層板的能量吸收隨著沖擊能的增加而增加，直到層合板被完全穿透，能量吸收趨于穩定值。但是，在層合板被穿透之后，能量吸收也有略微增加。這主要是因為，能量越大沖擊波及范圍越大，層合板微小損傷增加。

圖7 不同沖擊能下層合板的能量吸收曲線Fig.7 Energy absorption of laminate under different impact energies

從圖7 可以看出，在沖擊能低于25 J 時，層合板的能量吸收隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次減小。而在沖擊能大于50 J 時，層合板的能量吸收隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大。這表明在沖擊能低于25 J 時，相比于半球頭和平頭沖擊下層合板的吸能能力，圓錐頭沖擊層合板表現出更好的吸能能力。而在沖擊能大于50 J 時，平頭沖擊層合板會表現出更好的吸能能力。這主要是因為當沖擊能較小時，在半球頭和平頭沖擊下，層合板處于微小損傷和彈性階段。而在圓錐頭沖擊下，較小的沖擊能也能對層合板造成局部穿透損傷。在沖擊能較大時，由于損傷區域的依次增大，層合板損傷壞范圍隨著圓錐頭、半球頭和平頭依次增大，能量吸收也依次增大。

2.4.2 層合板的吸能能力

不同沖頭沖擊下層合板的吸能能力如圖8所示。層合板的吸能能力隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大。平頭沖擊下層合板的吸能能力是圓錐頭沖擊下層合板的吸能能力的2 倍以上。這主要是因為在穿透的情況下，由平頭沖壓效應造成的層合板損傷范圍更大所導致的。

圖8 不同沖頭下層合板的吸能能力Fig.8 Energy absorption capacity of laminate under different impactors

3 結論

本文主要研究低速重載沖擊下混雜復合材料層合板的抗沖擊性能，通過多種沖擊能展開層合板在不同沖頭下的沖擊損傷性能研究?？梢缘贸鲆韵陆Y論：

（1）在相同的沖擊能下，層合板損傷范圍和承載力隨著圓錐頭、半球頭、平頭依次增大；

（2）層合板在圓錐頭、半球頭和平頭沖擊下的臨界穿透能量分別約為22、25、55 J；

（3）在沖擊能低于25 J時，圓錐頭沖擊層合板表現出更好的吸能能力。而在沖擊能大于50 J 時，平頭沖擊層合板表現出更好的吸能能力。