復(fù)合材料波紋夾層結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊后的剩余彎曲承載能力

，，

(1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，武漢 430074)

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)比強(qiáng)度高、比剛度大，其面板和芯材選材廣泛，可以根據(jù)功能需要自由組合，應(yīng)用廣泛[1]。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在遭受低速?zèng)_擊載荷作用時(shí)，內(nèi)部易于產(chǎn)生損傷，從而造成結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的退化，剩余承載能力降低，因此一直受到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注[2- 5]。對(duì)于復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在低速?zèng)_擊后的壓縮和拉伸性能研究有較多文獻(xiàn)涉及[6- 7]，而針對(duì)沖擊后剩余彎曲承載能力的研究少有涉及。但對(duì)于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)來說，其剩余彎曲強(qiáng)度則是最為關(guān)心的主要因素。為此，通過制備碳纖維復(fù)合材料面板和鋁質(zhì)波紋芯材組成的夾層結(jié)構(gòu)，開展低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，探討沖擊能量以及沖擊部位對(duì)其剩余彎曲承載能力的影響。

1 試樣制備

試樣由碳纖維上下面板和鋁合金波紋芯材組成，見圖1。

圖1 梯形波紋的形狀和制備的波紋夾層結(jié)構(gòu)試件

鋁合金波紋板2A12- T4尺寸為300 mm×96 mm×0.5 mm，力學(xué)性能參數(shù)見表1。復(fù)合材料層合板的原料為單向碳纖維預(yù)浸料(T700/3234)，力學(xué)性能見表2。復(fù)合材料面板的鋪層順序?yàn)閇0°/90°/0°/90°]s，尺寸為300 mm×96 mm×1 mm。

表1 2A12- T4鋁合金板材的基本力學(xué)性能

表2 T700/3234碳纖維預(yù)浸料的基本力學(xué)性能

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 沖擊實(shí)驗(yàn)

落錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)見圖2a)，主要由夾持機(jī)構(gòu)、沖頭和防止二次沖擊的緩沖裝置等組成。夾持機(jī)構(gòu)主要由上下兩塊帶開口的平行鐵塊組成，沖擊過程中試件被固定在氣動(dòng)夾具里，夾持壓力為0.02 MPa(夾持力遠(yuǎn)小于波紋夾芯結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度)。力傳感器通過螺桿連接在橫梁上，另一端連接金屬?zèng)_頭，量程為10 kN。

圖2 落錘沖擊實(shí)驗(yàn)及三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)

壓載頭與兩端支撐結(jié)構(gòu)的頂部均為半球形，直徑為20 mm，兩端支撐結(jié)構(gòu)間距為200 mm。彎曲實(shí)驗(yàn)的加載速度為1 mm/min，壓載頭的作用位置為遭受正面沖擊的面板。

為比較完善試件與損傷試件在彎曲承載能力上的差異，同時(shí)開展完善夾層試件的彎曲承載能力實(shí)驗(yàn)。為了分析不同沖擊位置對(duì)彎曲承載能力的影響，分別針對(duì)沖擊位置在短邊和長邊的試件進(jìn)行彎曲承載能力實(shí)驗(yàn)。

2.3 沖頭形狀及沖擊位置

實(shí)驗(yàn)采用半球形沖頭，沖頭直徑為12.0 mm，見圖3。落錘質(zhì)量為13.2 kg。分別選取波紋的短邊和長邊作為沖擊部位，考慮不同沖擊能量以及同一沖擊能量不同沖擊部位的損傷特性，沖擊能量通過調(diào)節(jié)落錘的高度來實(shí)現(xiàn)。

圖3 沖擊位置示意

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上面板遭受沖擊后的損傷照片及整體沖擊損傷的變形見圖4、5。

圖4 不同沖擊能量下碳纖維上面板損傷照片

圖5 不同沖擊能量時(shí)鋁合金波紋夾芯結(jié)構(gòu)的損傷

不同沖擊能量下、沖擊位置在試件短邊時(shí)的沖擊力- 時(shí)間歷程曲線見圖6a)；沖擊能量為70 J，沖擊位置分別在短邊和長邊時(shí)的沖擊力- 時(shí)間歷程曲線的比較結(jié)果見圖6b)。

從圖6a)可以看出，沖擊力- 時(shí)間歷程曲線具有強(qiáng)烈的非線性特征。

1)當(dāng)沖擊能量小于等于20 J時(shí)，沖頭接觸面板，此時(shí)面板與芯層共同承受沖擊載荷的作用，直至芯層腹板出現(xiàn)屈曲(見圖5a)、b)、c)所示)，沖擊力達(dá)到第一個(gè)峰值。芯層發(fā)生屈曲后，其承載能力下降，沖擊力略微減小，然后繼續(xù)上升，直至達(dá)到峰值后開始下降。

2)當(dāng)沖擊能量大于等于40 J時(shí)，由于動(dòng)力效應(yīng)的影響，芯層腹板的屈曲載荷有所提升，但由于沖擊能量過大，上面板和芯層很快被穿透(見圖5d)、e))，載荷峰值達(dá)到最大，隨之迅速下降。由于在穿透上面板和芯層的過程中，沖頭的動(dòng)能已經(jīng)消耗過多，沖頭的剩余速度已經(jīng)很小，在下行過程中遭受周圍碳纖維和芯材的阻擋，使得力曲線呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。

3)當(dāng)沖擊能量為70 J時(shí)，上下面板和鋁合金芯層均被穿透(見圖5e))，力曲線出現(xiàn)第二個(gè)明顯的峰值，此峰值載荷也對(duì)應(yīng)著碳纖維面板的承載能力極限值。沖頭穿透下面板之后，由于沖頭受到周圍纖維和芯材的阻擋，其承載能力并不是迅速下降，而呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。

4)圖6b)，與沖擊短邊所測得的力曲線不同的是：沖擊長邊時(shí)，力曲線出現(xiàn)3個(gè)峰值，其中第一個(gè)峰值為碳纖維面板斷裂的極限載荷，與沖擊短邊的第二個(gè)峰值(面板斷裂)基本一致；第二個(gè)峰值相對(duì)于短邊的第一個(gè)峰值要大10%，這是因?yàn)闆_擊長邊時(shí)，芯層腹板不會(huì)產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象(該現(xiàn)象會(huì)降低峰值載荷的水平)，而是產(chǎn)生拉伸變形，從而提高了力的峰值，直至芯材斷裂，力曲線下降；接著沖頭觸及到芯材面板和碳纖維面板，載荷繼續(xù)上升，直至芯材和碳纖維面板被穿透時(shí)載荷下降。

3.2 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

載荷作用位置分別位于短邊和長邊時(shí)的未遭受沖擊的完善結(jié)構(gòu)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)過程見圖7，采用位移方式加載(見圖7a)、b))?？梢钥闯鲭S著壓載頭位移的增大，碳纖維面板開始斷裂失效(見圖8a)、b))，而鋁合金芯層則出現(xiàn)不同的失效模式，當(dāng)短邊受載時(shí)，鋁合金芯層腹板向內(nèi)屈曲；而長邊受載時(shí)，芯層腹板向外屈曲。而下面板基本上沒有出現(xiàn)明顯的損傷現(xiàn)象。沖擊能量為70 J的剩余彎曲承載能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8c)、d)。

圖7 未損傷試件三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

圖8 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 不同沖擊能量下波紋夾層結(jié)構(gòu)的剩余彎曲承載能力曲線

不同沖擊能量下波紋夾層結(jié)構(gòu)的剩余彎曲承載能力曲線見圖9。由圖9a)可見，當(dāng)沖擊能量為5 J時(shí)，彎曲承載能力降低約21%；當(dāng)沖擊能量為10 J時(shí)，彎曲承載能力降低約34%；隨著沖擊能量繼續(xù)增加，其彎曲承載能力基本保持不變。

而載荷作用位置對(duì)彎曲承載能力的影響則主要是由于芯層失效模式的差異所致；對(duì)于未遭受沖擊的試件，承載能力主要依賴于上下面板，因此彎曲載荷作用位置對(duì)其影響極小，其彎曲承載能力基本相同(見圖9b))；一旦試件遭受沖擊載荷而損傷，當(dāng)沖擊短邊時(shí)，由于芯層腹板發(fā)生屈曲，造成了芯層腹板彎曲剛度降低，彎曲承載能力下降；而沖擊長邊時(shí)，芯層腹板并未發(fā)生屈曲失效，而是拉伸破壞，其彎曲剛度降低較小，使得其彎曲承載能力較沖擊短邊時(shí)約大28%，而較未損傷結(jié)構(gòu)的承載能地僅減少約13%。

4 結(jié)論

1)復(fù)合材料波紋夾層結(jié)構(gòu)在未遭受沖擊載荷作用時(shí)，其彎曲承載能力大小主要由上下面板提供，一旦遭受沖擊損傷，面板的承載能力迅速下降，試件的剩余承載能力主要依賴于芯層；

2)即使很小的沖擊能量下都會(huì)對(duì)復(fù)合材料面板造成內(nèi)部損傷，導(dǎo)致面板承載能力的下降，影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的剩余彎曲承載能力。但是，在復(fù)合材料面板承載能力下降后，鋁合金芯層起到主要承載作用，而鋁合金芯層的承載能力與其彎曲剛度有關(guān)，沖擊能量的加大并不會(huì)對(duì)鋁合金芯層的彎曲剛度有較大的影響(鋁合金芯層僅僅只是局部損傷)，因此隨著沖擊能量的增加，整體結(jié)構(gòu)的剩余彎曲承載能力變化極小。但是對(duì)于不同沖擊位置，鋁合金芯層的損傷程度不同，因此造成了不同沖擊位置，整體結(jié)構(gòu)的彎曲剩余承載能力變化較大。

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