張 奇,張震東

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京210094)

金屬薄壁結(jié)構(gòu)具有良好的吸能特性,被廣泛用作吸能裝置,不斷有學(xué)者對金屬薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論和實驗研究以提高其吸能能力,在滿足最佳的吸能性能下,越來越追求結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計,復(fù)合材料在航空航天,汽車工業(yè)等領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)金屬材料。其中,玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)均在吸能方面表現(xiàn)優(yōu)越,相比傳統(tǒng)金屬薄壁結(jié)構(gòu),復(fù)合材料的破壞模式更加復(fù)雜,包括基體開裂、界面脫粘、分層、纖維斷裂,這些破壞模式相互結(jié)合使得吸能性能極大提升。

ZHU 等[1]對碳纖維復(fù)合材料管在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的破壞模式進(jìn)行了研究,結(jié)果表明碳纖維復(fù)合材料管在彎曲角度逐漸增大的過程中,依次表現(xiàn)出脆性破壞模式、局部屈曲破壞模式和橫向剪切破壞模式。XU 等[2]采用纖維纏繞法制造了5種復(fù)合管,通過準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗研究了破碎速度、溫度處理、原材料和纖維混雜比例、纖維取向和管壁厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對復(fù)合材料管吸能性能的影響。KRISHNAN 等[3]對玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料管進(jìn)行了3個彎曲角度的加載試驗,研究了不同的纖維纏繞角度對玻璃纖維管在多軸載荷作用下性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的纏繞角度決定了不同的最佳加載條件。NGUYEN 等[4]研究了玻璃纖維蜂窩和紙蜂窩的力學(xué)性能,結(jié)果表明雙層蜂窩結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度和模量均高于單層蜂窩結(jié)構(gòu),且胞元壁厚對重量影響不大,但對力學(xué)性能影響顯著。ELGALAI等[5]研究了碳纖維及玻璃纖維復(fù)合材料波紋管在不同波紋角下的軸向壓縮性能,結(jié)果表明波紋的引入可以均勻地提高復(fù)合管的吸能能力。WANG等[6]對不同纖維取向和壁厚的復(fù)合材料管進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗,結(jié)果表明選擇合適的纖維取向和壁厚可以顯著提高吸能性能。復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的耐撞性能受諸多因素影響,如材料種類、鋪層方向、幾何形狀、胞元壁厚、胞元數(shù)量、載荷條件等,KUMAR[7]研究了缺陷對復(fù)合材料Ⅰ型層間斷裂行為的影響,結(jié)果表明Ⅰ型斷裂行為對缺陷尺寸敏感。ALBAHASH 等[8]研究了黃麻纖維與芳綸纖維、玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料等其它類型纖維對復(fù)合材料管耐撞性能參數(shù)的影響,結(jié)果表明純黃麻纖維管在壓縮過程中發(fā)生脆性破壞而失效,將芳綸纖維或玻璃纖維替代部分黃麻纖維可以顯著提高混雜纖維的耐撞性能。SUPIAN 等[9]將自動纏繞技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料管的制造,在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷下,對幾種不同纏繞角度的混雜玻璃纖維管的吸能能力和耐撞性經(jīng)行了研究,并對比了純玻璃纖維管的性能,結(jié)果表明混雜玻璃纖維管相比純玻璃纖維管具有更高的擠壓效率、比吸能和吸能能力,且高纏繞角度的混雜玻璃纖維管表現(xiàn)性能最佳。在面外沖擊載荷下,ALTIN 等[10]從理論上對常規(guī)蜂窩結(jié)構(gòu)和層次化六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的耐撞性進(jìn)行了研究。ALBAK等[11]考慮了石墨烯型多胞結(jié)構(gòu)在不同加載角度下的峰值載荷、能量吸收、壓縮力效率耐撞性指標(biāo),結(jié)果表明采用圓形多胞結(jié)構(gòu)耐撞性能顯著。SUN等[12]通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗,研究了纏繞角和壁厚對碳纖維管、鋁/碳纖維混合管耐撞性的影響,結(jié)果表明纏繞角度和壁厚對碳纖維管及鋁/碳纖維混合管的破壞模式和破壞特性均有顯著影響,且混合管的耐撞性優(yōu)于單一組分管。CHUNG 等[13]對環(huán)氧樹脂膠黏劑進(jìn)行了長期熱老化試驗,用X 射線光電子能譜觀察了膠黏劑的力學(xué)性能,結(jié)果表明環(huán)氧樹脂長期暴露在熱環(huán)境下會明顯減少黏合劑的性能。

綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者為提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)吸能性能,提出了復(fù)合材料的多胞結(jié)構(gòu)形式,但樹脂黏接的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在某些極端環(huán)境下使用會存在強(qiáng)度退化現(xiàn)象,且此環(huán)境下的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究未涉及,本研究擬以低強(qiáng)度樹脂膠黏接的多胞結(jié)構(gòu)模擬強(qiáng)度退化的復(fù)合材料結(jié)構(gòu),使用模壓成型法制作正六邊形玻璃纖維管件,并采用3MDP460環(huán)氧樹脂膠黏接成多胞結(jié)構(gòu)試件,從胞元壁厚和胞元數(shù)量方面探究低強(qiáng)度膠黏接的玻璃纖維多胞結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的破壞模式及吸能特性。

1 試件制備

試件采用二維(0°/90°)編織玻璃纖維預(yù)浸布制作,預(yù)浸布型號為:G/P200R42,由玻璃纖維及環(huán)氧樹脂組合物構(gòu)成,預(yù)浸布單層厚度為0.2 mm,制作流程如下:1)用切割刀將玻璃纖維預(yù)浸布切割成長300 mm,寬100 mm 的長方形薄片;2)撕開預(yù)浸布薄膜,按照三種不同厚度需求,依次鋪設(shè)2層、4層、6層的預(yù)浸布在隔離膜上,放置在平臺上預(yù)壓排除空氣;3)將模具在溫箱中低溫預(yù)熱,預(yù)熱結(jié)束后把鋪好的預(yù)浸布整齊地放入模具上,利用上模模壓預(yù)浸布,使預(yù)浸布盡量貼緊模具凹槽;4)將模具放入溫箱,在140 ℃恒溫條件下加熱90 min,加熱結(jié)束后將模具取出并常溫冷卻4 h;5)模具冷卻結(jié)束后,打開模具并撕開隔離膜,取出試件,利用拉花切割刀將試件切割成長300 mm,寬50 mm 的試件;6)將切割的試件用3MDP460環(huán)氧樹脂膠對稱粘接,并用U 型針固定,在常溫下風(fēng)干24 h;7)將風(fēng)干的試件再次用拉花切割刀按照不同的管數(shù)進(jìn)行切割,得到圖1中(a)～(c)所示正六邊形試件,試件質(zhì)量如表1所示。本試驗采用型號為CSS-44300的電子萬能實驗機(jī)進(jìn)行,如圖1(d)所示,試驗壓縮速率為5 mm·min－1。

圖1 實驗設(shè)備及試件Fig.1 Experimental equipment and specimens

表1 試件質(zhì)量Table 1 Dimension and mass of specimen

2 失效模式分析

對于3種厚度玻璃纖維管,在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮加載下均出現(xiàn):外翻、傾斜、脫粘、纖維斷裂的破壞形式及各種破壞形式的復(fù)合,特別是脫粘現(xiàn)象普遍存在,試件壓縮后形貌圖如表2所示,圖2(a)～(g)給出了幾種破壞模式的局部細(xì)節(jié)圖。單管試件在整個壓縮過程中觀察到試件受壓后沿著正六邊形的各邊產(chǎn)生外翻,呈現(xiàn)花瓣狀向外擴(kuò)展,多管組合結(jié)構(gòu)試件在粘接面處,經(jīng)持續(xù)加載,試件粘接面產(chǎn)生脫粘開裂現(xiàn)象并發(fā)生傾斜,試件外翻部分持續(xù)受壓產(chǎn)生斷裂碎屑,碎屑形貌如圖2(h)所示,呈塊狀或絲狀;對于多管形式,破壞形式和單管類似,但內(nèi)部結(jié)合面處沿內(nèi)徑方向翻折,持續(xù)加載后,一部分?jǐn)嗔旬a(chǎn)生塊狀碎屑,另一部分逐漸卷曲堆積在孔內(nèi)。觀察表2壓縮后的試件及圖2(f)斷口的局部圖,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生斷裂部分的斷口大多較為平整且沿著纖維方向擴(kuò)展;隨著厚度增加到0.8 mm 及1.2 mm,試件在壓縮過程中出現(xiàn)了明顯的分層,隨著不斷加載,試件分為內(nèi)、外兩層,外層向外卷曲呈花瓣狀,內(nèi)層不斷向內(nèi)卷曲,且由于管孔壁的限制,內(nèi)層卷曲部分不斷被擠壓而堆積在孔內(nèi)。

圖2 玻璃纖維管準(zhǔn)靜態(tài)壓縮破壞模式局部細(xì)節(jié)圖Fig.2 Local detail of quasi-static compression failure mode of glass fiber tube

表2 玻璃纖維管準(zhǔn)靜態(tài)壓縮形貌圖Table 2 Figures of quasi-static compression of glass fiber tube

3 耗能特性分析

3.1 載荷位移曲線分析

3.1.1 0.4 mm 厚度試件

為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性,每組實驗進(jìn)行了3次平行實驗,0.4 mm 厚度試件單管、三管、五管、八管組合形式的載荷位移曲線如圖3(a)～(d)所示。由圖3可以發(fā)現(xiàn),對于0.4 mm 厚度的單管、三管、五管、八管組合形式,各組平行試驗得到的載荷-位移曲線基本一致,其中C5試件載荷在壓縮后期有明顯增大趨勢,對比分析表2試件壓縮后形貌圖,發(fā)現(xiàn)僅C5未出現(xiàn)脫粘、傾斜、纖維斷裂的明顯破壞,使得C5 的載荷-位移曲線明顯區(qū)別于其余各組試件。將各組數(shù)據(jù)結(jié)果相近的值求取平均值后依次得到單管、三管、五管、八管的峰值載荷為:2.19、9.15、9.74、18.65 k N,隨著胞元數(shù)量增加,峰值載荷隨之增大。

圖3 0.4 mm 厚度試件的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve of 0.4 mm thickness specimen

根據(jù)公式(1)得到各管平均壓縮載荷(MCF)為:0.96、4.64、4.45、13.45 k N,將單管的平均壓縮載荷的3倍、5倍、8倍初步估計為3管、5管、8管組合形式的理論平均壓縮載荷,依次為:2.88、4.80、7.69 k N。圖4給出了實際平均壓縮載荷和理論平均壓縮載荷對比結(jié)果,分析可知:三管、八管結(jié)構(gòu)形式的平均壓縮載荷相比理論平均壓縮載荷提高了61%、75%,5管結(jié)構(gòu)形式的平均壓縮載荷相比理論平均壓縮載荷降低了7%。

圖4 MCF實際值和理論值對比Fig.4 Comparison of actual and theoretical MCF values

3.1.2 0.8 mm 厚度試件

0.8 mm厚度試件單管、三管、五管、八管組合形式的載荷位移曲線如下圖5(a)～(d),0.8 mm 厚度試件的單管、三管、五管、八管組合形式,選用各組數(shù)據(jù)相近的值求取平均值依次得到單管、三管、五管、八管的峰值載荷為:8.53、23.36、38.82、53.28 k N;根據(jù)公式(1)得到各管平均壓縮載荷為:4.89、16.23、21.15、30.95 k N;利用單管的平均壓縮載荷初步估計三管、五管、八管組合形式的理論平均壓縮載荷依次為:14.68、24.47、39.15 k N。圖6給出了實際平均壓縮載荷和理論平均壓縮載荷對比結(jié)果,分析可知:僅三管結(jié)構(gòu)形式的平均壓縮載荷相比理論平均壓縮載荷提高了11%,五管、八管結(jié)構(gòu)形式的平均壓縮載荷相比理論平均壓縮載荷降低了14%、21%。

圖5 0.8 mm 厚度試件的載荷-位移曲線Fig.5 Load-displacement curve of 0.8 mm thickness specimen

圖6 平均壓縮載荷實際值和理論值對比Fig.6 Comparison of actual and theoretical MCF values

3.1.3 1.2 mm 厚度試件

1.2 mm 厚度試件單管、三管、五管、八管組合形式的載荷位移曲線如圖7(a)～(d),1.2 mm 厚度試件的單管、三管、五管、八管組合形式,選用各組數(shù)據(jù)相近的值結(jié)果求取平均值依次得到單管、三管、五管、八管的峰值載荷為16.28、35.32、52.39、92.21 k N;根據(jù)公式(1)得到各管平均壓縮載荷為:12.8、21.98、32.82、40.97 k N;利用單管的平均壓縮載荷初步估計三管、五管、八管組合形式的理論平均壓縮載荷依次為:38.39、63.99、102.38 k N。圖8給出了實際平均壓縮載荷和理論平均壓縮載荷對比結(jié)果,三管、五管、八管結(jié)構(gòu)形式的平均壓縮載荷均相比理論平均壓縮載荷降低了43%、49%、60%。

圖7 1.2 mm 厚度試件的載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement curve of 1.2 mm thickness specimen

圖8 平均壓縮載荷實際值和理論值對比Fig.8 Comparison of actual and theoretical MCF values

圖9給出了3種厚度的玻璃纖維管件的峰值載荷對比情況,從0.4 mm 厚度增加到0.8、1.2 mm厚度,單管試件峰值載荷依次增加1.93 倍、6.43倍,三管試件峰值載荷依次增加1.6倍、2.86倍,五管試件峰值載荷依次增加2.98倍,4.38倍,八管試件峰值載荷依次增加1.86倍、3.94倍;分析可知:峰值載荷隨著壁厚增加而增加,隨胞元數(shù)量增加而增加。當(dāng)壁厚增加1倍時,峰值載荷可增加1.6倍～2.98倍,當(dāng)壁厚增加2倍時,峰值載荷可增加2.86倍～6.43倍。

圖9 3種厚度試件PCF對比Fig.9 PCF comparison of three thickness specimens

3.2 吸能特性分析

壓縮過程吸收的能量(EA)通過壓縮應(yīng)力做功計算,評價設(shè)計的薄壁結(jié)構(gòu)吸能性能,通常根據(jù)萬能試驗機(jī)記錄的載荷位移曲線計算耐撞性指標(biāo)值,即峰值壓縮載荷(PCF,定義為第一個最大載荷值,考慮切割試件造成的表面缺陷,個別試件PCF值取臨近最大峰值)、平均壓縮載荷(MCF)、壓縮應(yīng)力效率(CFE,定義為平均壓縮載荷與峰值壓縮載荷的比值,由公式(2)計算),根據(jù)公式(3)、公式(4)求得各試件吸能(EA)及比吸能(SEA,定義為單位質(zhì)量吸收的能量),各指標(biāo)計算結(jié)果見表3。

根據(jù)表3可知:對于0.4 mm 厚度試件最小吸能為23.04 J,最大吸能447.31 J;對于0.8 mm 厚度試件最小吸能為132.99 J,最大吸能1 021.18 J;對于1.2 mm 厚度試件最小吸能為383.97 J,最大吸能1 307.76 J;試件厚度增大1倍時,最小吸能提高4.77倍,最大吸能提高1.28倍,試件厚度增大2倍時,最小吸能提高15.66倍,最大吸能提高1.92倍。

根據(jù)表3各試件比吸能取平均值依次得到3種不同厚度的試件比吸能如圖10所示,其中:1、3、5、8依次代表單管、三管、五管、八管結(jié)構(gòu)試件。由圖10可知,0.4 mm 厚度試件最小比吸能為8.11 J·g－1,最大比吸能為17.08 J·g－1,0.8 mm 厚度試件最小比吸能為20.06 J·g－1,最大比吸能為23.47 J·g－1,1.2 mm 厚度試件最小比吸能為19.87 J·g－1,最大比吸能為32.27 J·g－1;比吸能隨著厚度增加而增大,厚度增加1倍,比吸能最小增加17.4%,最大增加189.4%,厚度增加2倍,比吸能最小增加16.3%,最大增加297.9%。

圖10 各試件的比吸能Fig.10 Specific energy absorption of each specimen

表3 耐撞性指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 3 Crashworthiness indicator data

對于0.4 mm 厚度的試件,三管、八管結(jié)構(gòu)試件的比吸能分別是單管試件的比吸能1.59 倍、2.02倍,五管結(jié)構(gòu)試件比吸能相比單管試件比吸能降低了4%;對于0.8 mm 厚度的試件,三管、八管結(jié)構(gòu)試件的比吸能分別是單管試件的比吸能1.07 倍、1.02倍;五管結(jié)構(gòu)試件比吸能相比單管試件比吸能降低了8.5%;對于1.2 mm 厚度的試件,單管試件比吸能是最高的,三管、五管、八管結(jié)構(gòu)試件的比吸能相比單管試件比吸能依次降低了25.3%、23.2%、38.4%,比吸能與胞元數(shù)量無明顯相關(guān)性。圖11為各試件壓縮應(yīng)力效率散點圖,可知:隨著厚度增加,0.8、1.2 mm 厚度試件的壓縮應(yīng)力效率有高于0.4 mm厚度試件的趨勢,0.8、1.2 mm厚度試件的壓縮應(yīng)力效率無明顯強(qiáng)弱對比。

圖11 壓縮應(yīng)力效率散點圖Fig.11 Compression stress efficiency scatter plot

4 結(jié) 論

采用模壓成型法制備正六邊形玻璃纖維管,用萬能試驗機(jī)對低強(qiáng)度膠(3MDP460)粘接正六邊形玻璃纖維多胞結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗,分析了其不同厚度和胞元數(shù)量的多胞結(jié)構(gòu)吸能特性,現(xiàn)有如下結(jié)論:

1)不同厚度及胞元數(shù)量的各試件在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中,破壞形式主要表現(xiàn)為外翻、傾斜、脫粘、局部壓潰、纖維斷裂及各種破壞形式的復(fù)合,隨著胞元壁厚增加,在壓縮過程中出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

2)由于采用低強(qiáng)度膠粘接多胞結(jié)構(gòu),準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中,試件普遍出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象,難以響應(yīng)較為理想的載荷位移曲線,實際平均壓縮載荷普遍小于理論平均壓縮載荷,但仍能觀察到平均壓縮載荷及峰值載荷隨著胞元數(shù)量增加而增大,隨胞元壁厚增加而增大。

3)比吸能隨胞元壁厚增加而增加(除去六層厚度的八管結(jié)構(gòu)),與胞元數(shù)量無明顯相關(guān)性。壓縮應(yīng)力效率在四層厚度和六層厚度的試件之間無明顯區(qū)別,但二者壓縮應(yīng)力效率普遍高于兩層厚度試件。