玄武巖纖維增強聚合物復(fù)合材料的低速沖擊行為研究

姜興洪

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

1 簡 介

玄武巖纖維是一種新型高性能無機纖維，性能穩(wěn)定，具有良好的力學(xué)性能和環(huán)保特性。玄武巖纖維在橋梁、道路以及工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用逐年增多，同時在國防等領(lǐng)域也得到越來越廣泛的應(yīng)用。

不過，宣姝姝指出，現(xiàn)階段醫(yī)院依然需要保留集中預(yù)約的平臺，畢竟有的患者還是會選擇現(xiàn)場預(yù)約；同時，預(yù)約中心還承擔(dān)著咨詢和宣教工作。

2.1.1 課外活動參與度不均衡，組織活動質(zhì)量有待提升 問卷表明，工程學(xué)院學(xué)生的課外活動平均時間不算多，相對而言，大二、大四學(xué)生平均課外活動時間更少些。絕大多數(shù)在校生都參加了校內(nèi)的各種社團，并且參與目的明確，態(tài)度積極端正。其中，大三學(xué)生參團的平均個數(shù)最多，大四學(xué)生參團人均數(shù)最低。大一至大三學(xué)生對社團活動的滿意度約為60%，高于大四學(xué)生。在各類型課外活動的偏好方面，學(xué)生最喜歡參加的是“體育類”和“文藝類”，最不感興趣的是“學(xué)術(shù)講座類”，大部分學(xué)生對真人秀娛樂節(jié)目更感興趣。

近年來，肖靖航[1]通過低速沖擊試驗隊玄武巖纖維復(fù)材層合板進行研究，對沖擊后層合板的損傷形態(tài)進行了詳細(xì)論述，林大路[2]對玄武巖纖維層合板抗侵徹性能開展了試驗研究，初步認(rèn)識了玄武巖纖維層合板的靜力學(xué)和抗侵徹能力的特點。魏俊[3]等結(jié)合傳感器技術(shù)得到了沖擊載荷和沖擊點位移隨時間變化曲線。宋恒旭[4]運用ABAQUS將復(fù)合材料損傷準(zhǔn)則及損傷后的材料演化規(guī)律引入到有限元計算中，模擬了復(fù)合材料層合板在低速沖擊下的損傷，驗證了計算模型和損傷準(zhǔn)則的正確性。

在已有的研究中，復(fù)合材料層合板沖擊研究多考慮材料損傷和沖擊后的剩余強度以及有限元模擬分析，對于玄武巖纖維增強復(fù)合材料層合板在低速沖擊下最大接觸力與沖擊能量的關(guān)系研究較少，并進行數(shù)值模擬驗證最大接觸力與沖擊能量的關(guān)系較少。本文基于能量分布法通過低速沖擊試驗確定侵徹和擊穿閾值能量，并結(jié)合有限元分析軟件對比分析。

2 試驗與仿真分析

2.1 低速沖擊試驗

利用有限元軟件ABAQUS對BFRP層合板低速沖擊過程進行仿真分析。由于該試驗的復(fù)合材料板的寬厚比接近于100，屬于薄壁殼體結(jié)構(gòu)，使用Continuum Shell單元來模擬建模，層合板采用SC8R單元類型，共計181 656個節(jié)點，88 752個單元，沖頭采用R3D4單元類型，共計2 107個節(jié)點，2 033個單元。所建模型尺寸和鋪層方式與試驗保持一致。分析時，認(rèn)為沖頭為剛體，不發(fā)生形變，沖頭直徑為10 mm，層合板與沖頭間的接觸屬性定義為通用接觸屬性，外邊界采用鉸支約束，有限元模型見圖1。

日本受國土資源的限制，農(nóng)業(yè)耕地資源相對較少，因此農(nóng)產(chǎn)品更多依賴進口。1984年開始，日本成為世界上最大的食品進口國，國民所食用的食物超過60%都來自進口。在此種背景之下，日本政府對自身國家的農(nóng)業(yè)發(fā)展給予了較高的支持。隨著經(jīng)濟的快速增長，日本的農(nóng)業(yè)保護水平不斷提升[8]。2012-2014年，日本的農(nóng)業(yè)支持量達(dá)到年均535.5億美元，相當(dāng)于國內(nèi)農(nóng)業(yè)總收入的52.3%。

2.2 仿真分析

試驗所用材料為四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司提供的玄武巖纖維產(chǎn)品。試驗件由玄武巖纖維BWR300-100方格布與邁圖R035C/H037環(huán)氧樹脂在23 ℃下固化壓制24 h后的復(fù)合材料層合板。復(fù)合材料層合板鋪層順序為0 °和90 °交叉鋪層，尺寸為100 mm×100 mm，平均厚度為0.9 mm。層合板纖維質(zhì)量含量為68.6 %。

3 結(jié)果與討論

3.1 材料損傷分析

復(fù)合材料的沖擊損傷分析由于其組件在測試過程中的不同行為而非常復(fù)雜。在沖擊試驗期間，沖擊響應(yīng)有三種類型，包括回彈、侵徹和擊穿。當(dāng)沖頭的能量不足以滲透到層合板纖維中時，發(fā)生回彈響應(yīng)，在這個過程中，沖頭在與層合板表面接觸時給層合板傳遞一些能量并對其造成損壞。這種現(xiàn)象降低了沖頭的能量和速度，最后，沖頭的速度在接觸后變?yōu)榱悴⑶移溥\動方向改變。當(dāng)沖頭的能量增加時，它可能在表面接觸后滲透到層合板內(nèi)部，或者沖頭突然卡在層合板中，發(fā)生侵徹響應(yīng)。在擊穿響應(yīng)過程中，沖頭的能量足以侵徹，并且足以對層合板進行擊穿。

對比圖2中沖擊模型計算結(jié)果和試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)試驗得到的最大接觸力比模型計算的最大接觸力稍小，這是由于實際試驗中材料性能相對理論值偏小?？傮w來看，試驗數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果的沖擊力-時間曲線變化趨勢一致，均在上升部分快速增加，峰值后迅速下降，出現(xiàn)曲線平臺，并在下降部分出現(xiàn)曲線震蕩，隨后繼續(xù)下降直至結(jié)束，并且值得注意的是，隨著沖擊能量的增加，震蕩幅度增加。

試驗使用 INSTRON CEAST 9350沖擊試驗機進行低速沖擊試驗，該儀器能夠使用能記錄時間與接觸力、吸收能量、撓度和沖擊速度的軟件進行多次不同沖擊能量的實驗，并且使用傳感器系統(tǒng)將力數(shù)據(jù)傳輸?shù)较嚓P(guān)軟件。樣品夾具孔直徑為30 mm，沖頭為半球形狀，直徑20 mm，質(zhì)量5.5 kg。分別采用2.75 J、6.20 J、11 J、17.2 J、24.75 J五種不同的能量進行低速沖擊測試。試驗過程中自動記錄沖擊力-時間曲線。

(a) 2.75 J

(b) 6.19 J

(c) 11.00 J

(d) 17.20 J

(e) 24.75 J圖2 沖擊力-時間曲線

不同沖擊能量下的沖擊力-時間曲線見圖2。曲線包含兩個部分，上升和下降。上升部分是沖擊加載過程，下降部分是圖表中最重要的部分，它顯示了材料的沖擊響應(yīng)。對于回彈響應(yīng)，下降部分曲線較平順，曲線振動較小，沖擊能量越小，曲線越平滑，對于侵徹響應(yīng)和擊穿響應(yīng)，曲線在下降部分發(fā)生劇烈震蕩，層壓板纖維發(fā)生斷裂所致。圖2(a)的2.75 J的沖擊能量不足以進行侵徹，沖頭發(fā)生回彈，曲線具有對稱性，加載時間等于卸載時間，在這種情況下，持續(xù)時間圍繞峰值接觸力對稱。結(jié)合圖2和圖3分析可得，對于BFRP復(fù)合材料，在能量值小于6.19 J的沖擊試驗中發(fā)生回彈。當(dāng)沖擊能量增加超過11 J時發(fā)生侵徹。因此，11 J是BFRP的侵徹閾值能量。當(dāng)沖擊能量增加到24.75 J，在BFRP中發(fā)生擊穿。對于發(fā)生侵徹或擊穿的高能量沖擊曲線，加載時間短于卸載時間。

(a) 2.75J

(b) 6.19J

(c) 11.00J

(d) 24.75J圖3 沖擊后的層合板

3.2 損傷形態(tài)

BFRP層合板在不同沖擊能量下的受損表面如圖3所示。低速沖擊試驗中可能出現(xiàn)不同類型的失效模式，如微裂紋形成、剝離、界面分層、纖維拉出、纖維斷裂和纖維橋接。纖維拉出被認(rèn)為是BFRP的主要損傷模式，因為玄武巖纖維與環(huán)氧基質(zhì)的粘附力弱?；旧?，損壞模式取決于沖頭的沖擊參數(shù)和復(fù)合材料的機械性能。

長期以來，SEC儲量評估工作一般由集團公司和油田分公司兩級負(fù)責(zé)，采油廠只是參與。SEC儲量評估由總部負(fù)責(zé)組織、協(xié)調(diào)、對外披露、技術(shù)培訓(xùn)、考核等工作；油田分公司負(fù)責(zé)具體承擔(dān)預(yù)評估、與外方評估師具體對接、按照評估期限和評估單元進行具體評估與分析、相關(guān)課題研究等工作，還要完成被考核的任務(wù)指標(biāo)。采油廠除了提供必要的基礎(chǔ)資料外，暫時還沒有承擔(dān)相關(guān)指標(biāo)任務(wù)、參加更多的儲量評估工作。

對于BFRP層壓板，在2.75 J的較低能量下不能清楚地看到?jīng)_擊損傷，如圖3(a)。對于低能量沖擊，層合板主要的破壞模式是分層和基體裂縫而不是纖維斷裂。然而，對于較高的沖擊能量，纖維與基體之間的分裂和纖維斷裂是沖擊點周圍的主要損傷模式。對于24.75 J的較高能量的BFRP層合板，層壓板在樣品的后表面處開裂。

4 結(jié)論

對五種不同能量下的玄武巖纖維增強聚合物復(fù)合材料進行低速沖擊試驗表明，隨著沖擊能量的增大，沖擊響應(yīng)有三種類型，包括回彈，侵徹和擊穿，接觸力-時間存在峰值拐點，并且峰后曲線在沖擊能量大于6.19 J后出現(xiàn)明顯震蕩階段。11 J是BFRP的侵徹閾值能量，24.75 J是BFRP的擊穿閾值能量。