三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料橫向沖擊頻域響應(yīng)特征

張 巖，孫寶忠

（東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海201620）

采用改進(jìn)型分離式霍普金森桿測(cè)試三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在橫向（試樣厚度方向）沖擊加載模式下動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特征.試驗(yàn)結(jié)果表明，最大載荷隨沖擊速度增加而增加，從試樣破壞顯微照片中可以得出，隨著沖擊速度增加，三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料失效模式由樹(shù)脂開(kāi)裂變?yōu)槔w維束斷裂.采用快速傅里葉變換方法將三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料橫向沖擊時(shí)間－載荷曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換為頻域內(nèi)頻率－振幅曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)中可以得出橫向沖擊應(yīng)力波頻率主要集中于低頻區(qū)域，且應(yīng)力波振幅隨沖擊速度增加而增加.

三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料；橫向沖擊；霍普金森桿；快速傅里葉變換；頻域特征

三維編織物由3根或3根以上紗線(xiàn)相互纏繞或正交交錯(cuò)交織而成.三維編織物加強(qiáng)了織物厚度方向的力學(xué)性能，因而由其制成的三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在受力時(shí)不會(huì)像層合復(fù)合材料一樣出現(xiàn)分層現(xiàn)象.基于三維編織物的整體結(jié)構(gòu)、堅(jiān)固耐用、設(shè)計(jì)靈活等特征，三維編織物及其復(fù)合材料廣泛用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、體育等領(lǐng)域［1］.三維編織復(fù)合材料在以上領(lǐng)域應(yīng)用過(guò)程中不可避免會(huì)受到?jīng)_擊載荷作用，因此研究其在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能有重要意義.針對(duì)三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究已有很多［2－7］，但這些研究主要集中于時(shí)域內(nèi)，均是在時(shí)間尺度上表征三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng).本文采用時(shí)頻轉(zhuǎn)換方法將時(shí)間尺度上動(dòng)態(tài)力學(xué)特征轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)，在頻域內(nèi)探究三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能.

1 三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料及測(cè)試

1.1 三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料

使用日本東麗公司（Toray?）生產(chǎn)的T300－6k碳纖維束，采用四步法1×1編織方法編織三維織物.三維編織物的紗錠分布為29×5，編織角為（28±3）°，節(jié)長(zhǎng)為（3.2±0.2）mm.常溫下，采用樹(shù)脂傳遞模塑方法（RTM）將環(huán)氧樹(shù)脂（TDE－85）注入三維編織物.固化工藝：首先在130℃下固化2h，然后升溫至150℃固化1h，繼續(xù)升溫至160℃固化8h，最后在180℃條件下固化3h.

最終固化后的三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料如圖1所示，其尺寸為125mm（長(zhǎng)）×25mm（寬）×3mm（厚），纖維體積分?jǐn)?shù)約為58%.

圖2 改進(jìn)型分離式霍普金森桿裝置Fig.2 Modified split Hopkinson bar apparatus

圖1 三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料形態(tài)Fig.1 Photograph of 3－D braided fabric reinforced composite

1.2 橫向沖擊測(cè)試

采用改進(jìn)型分離式霍普金森壓桿（如圖2所示）測(cè)試三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料橫向沖擊性能.該裝置由氣槍、撞擊桿、輸入桿和動(dòng)力捕獲裝置組成，撞擊桿和輸入桿長(zhǎng)度分別為300和800mm，撞擊桿和輸入桿及輸入桿半球形端部直徑均為14.5mm.

改進(jìn)型分離式霍普金森桿的工作原理如圖3所示.根據(jù)一維應(yīng)力波理論，當(dāng)撞擊桿撞擊輸入桿時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為撞擊桿長(zhǎng)度兩倍的彈性波長(zhǎng)，并沿輸入桿向前傳播.當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)輸入桿和試樣接觸面處時(shí)，彈性應(yīng)力波分為兩部分：一部分進(jìn)入試樣內(nèi)部，另一部分應(yīng)力波則沿原路返回.沿原路返回的應(yīng)力波在到達(dá)輸入桿端部時(shí)，因自由面反射，再次變?yōu)闆_擊波沿輸入桿傳播并撞擊試樣.這一過(guò)程將持續(xù)多次直至應(yīng)力波消散或試樣斷裂.為了記錄應(yīng)力波傳播歷史，兩個(gè)應(yīng)變片串聯(lián)后呈180°貼于輸入桿中間位置.這種貼法可以盡量避免輸入桿在沖擊過(guò)程中左右擾動(dòng)引起信號(hào)偏差.

圖3 改進(jìn)型分離式霍普金森桿測(cè)試原理Fig.3 Testing principle of modified split Hopkinson bar

橫向沖擊試驗(yàn)中試樣所承受載荷、位移、應(yīng)力波速度及能量吸收可由式（1）～（4）［8］計(jì)算得：

其中：εI（t）和εR（t）分別為應(yīng)變片采集到的輸入脈沖和反射脈沖；E，A，ρ分別為輸入桿楊氏模量、橫截面積和密度；t為時(shí)間.由式（1）～（4）可得試樣所受沖擊載荷及位移均為時(shí)間函數(shù)，故可以通過(guò)消去時(shí)間得到三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料載荷－位移曲線(xiàn).本文采取3個(gè)沖擊速度分別為13.6，17.8和22.8 m／s，每個(gè)速度進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，以得到重復(fù)性較好數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)

由式（1）～（4）計(jì)算得到三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料載荷－位移曲線(xiàn)如圖4所示.根據(jù)分離式霍普金森桿工作原理可知，輸入桿會(huì)對(duì)試樣進(jìn)行多次沖擊，所以載荷－位移曲線(xiàn)表現(xiàn)出波動(dòng)性.由于較高沖擊速度擁有更大沖擊能量，沖擊載荷最大值隨著沖擊速度增大而增大.在任一沖擊速度下，載荷最大值隨著沖擊次數(shù)增加而減小，其隨沖擊次數(shù)的變化如表1所示.經(jīng)過(guò)4次沖擊后，在13.6，17.8和22.8m／s 3種沖擊速度下，相應(yīng)的最大載荷分別下降了36.2%，38.7% 和30.9%.圖4中同一沖擊速度下試樣受到單次沖擊位移變化如表2所示，隨著沖擊次數(shù)的增加，試樣位移逐漸減小.同時(shí)也可以觀察到試樣位移隨沖擊速度的增加而增加.

圖4 三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料橫向沖擊載荷－位移曲線(xiàn)Fig.4 Load－displacement curve of 3－D braided fabric reinforced composite under transverse impact

表1 三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在3種沖擊速度下的最大載荷Table 1 Peak load of 3－D braided fabric reinforced composite under 3different impact velocities

2.2 破壞形態(tài)及失效模式

三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在3種沖擊速度下橫向沖擊加載模式的局部失效形態(tài)如圖5～7所示.由圖5可知，從正面形態(tài)中可以看到在輸入桿與試樣沖擊點(diǎn)處有凹坑，為輸入桿沖擊過(guò)程中對(duì)試樣壓縮所致，沖擊點(diǎn)附近可以明顯觀察到樹(shù)脂裂痕及纖維束與樹(shù)脂界面脫黏；相比于正面破壞形態(tài)，背面形態(tài)中只有碳纖維束和樹(shù)脂基體脫黏引起的微小裂痕.三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在13.6m／s沖擊速度下失效模式主要為樹(shù)脂開(kāi)裂和纖維束與樹(shù)脂脫黏.

在17.8和22.8m／s沖擊速度下三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料完全斷裂，所以取一半試樣進(jìn)行觀察.由圖6和7可以清晰地觀察到樹(shù)脂開(kāi)裂和纖維束的斷裂.可見(jiàn)三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在17.8和22.8m／s沖擊速度下的失效模式為樹(shù)脂開(kāi)裂和纖維束斷裂.

圖7 三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料橫向沖擊失效形態(tài)（v＝22.8m／s）Fig.7 Fracture morphology of 3－D braided fabric reinforced composite under transverse impact（v＝22.8m／s）

3 頻域響應(yīng)特征

三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料橫向沖擊時(shí)間－載荷曲線(xiàn)經(jīng)FFT變換后得到頻率－振幅曲線(xiàn)如圖8所示.由圖8可知，沖擊應(yīng)力波頻率分布在0～200kHz之間，其中振幅較高同時(shí)也是沖擊能量較為集中部分主要在0～50kHz之間.由此可以看出，三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料橫向沖擊應(yīng)力波能量主要集中于低頻部分.

圖8 三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在3種沖擊速度下頻率－振幅曲線(xiàn)Fig.8 Frequency－amplitude curve of 3－D braided fabric reinforced composite under 3different impact velocities

三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在3個(gè)沖擊速度下局部頻率（0～50kHz）特征對(duì)比如圖9所示.由圖9可以看出，隨著沖擊速度增加，沖擊應(yīng)力波振幅逐漸增加，但振幅最大值對(duì)應(yīng)頻率無(wú)明顯變化.由此可以得出，三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在低速范圍內(nèi)橫向沖擊加載速度變化對(duì)應(yīng)力波頻率幾乎無(wú)影響，也即三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在3種沖擊速度下振動(dòng)頻率相同，但對(duì)應(yīng)力波振幅幅值影響較大.

圖9 三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在3種沖擊速度下局部頻率－振幅曲線(xiàn)Fig.9 Local frequency－amplitude curve of 3－D braided fabric reinforced composite under 3different impact velocities

4 結(jié) 語(yǔ)

本文測(cè)試了三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在橫向沖擊加載模式下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，從載荷－位移曲線(xiàn)中可以看出最大載荷及最大載荷處對(duì)應(yīng)位移均隨沖擊速度增加而增大.而在同一沖擊速度下，最大載荷及其對(duì)應(yīng)位移隨沖擊次數(shù)增加而減小.從破壞形態(tài)中可以得出，三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料在13.6m／s沖擊速度下的失效模式以樹(shù)脂開(kāi)裂以及纖維束與樹(shù)脂脫黏為主，而隨著沖擊速度增加，失效模式主要表現(xiàn)為纖維束斷裂.三維編織物增強(qiáng)復(fù)合材料橫向沖擊時(shí)間－載荷曲線(xiàn)經(jīng)快速傅里葉變換（FFT）后發(fā)現(xiàn)沖擊應(yīng)力波頻率主要集中于低頻段，沖擊應(yīng)力波振幅隨著沖擊速度增加而逐漸增大，而在3種沖擊速度下的沖擊應(yīng)力波振幅最大值對(duì)應(yīng)頻率相同.

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ECKHARD U， PARWIS C. Endocardial carbon－braid electrodes［C］／／66th Scientific Sessions of the American Heart Association.Atlanta，US，1993：88.

［2］FLANAGAN M P，ZIKRY M A，WALL J W，et al.An experimental investigation of high velocity impact and penetration failure modes in textile composites［J］. Journal of Composite Materials，1999，33（12）：1080－1103.

［3］JENQ S T，MAO J J.Ballistic impact response for two－step braided three－dimensional textile composites ［J］. AIAA Journal，1996，34（2）：375－384.

［4］JENQ S T，KUO J T，SHEU L T.Ballistic impact response of 3 －D four－step braided glass／epoxy composites［J］.Key Engineering Materials，1998，141／142／143：349－366.

［5］SHAKER M，KO F，SONG J.Comparison of the low and high velocity impact response of Kevlar fiber－reinforced epoxy composites［J］.Journal of Composites Technology ＆ Research，1999，21（4）：224－229.

［6］SUN B Z，LIU F，GU B H.Influence of the strain rate on the uniaxial tensile behavior of 4－step 3－D braided composites［J］.Composites Part A，2005，36（11）：1477－1485.

［7］SUN B Z，GU B H.High strain rate behavior of 4－step 3－D braided composites under compressive failure［J］.Journal of Materials Science，2007，42（7）：2463－2470.

［8］MEYERS M A.Dynamic behavior of materials ［M］.New York：John Wiley ＆Sons Inc，1994：296－322.

The Frequency Domain Character of 3－D Braided Fabric Reinforced Composite under Transverse Impact

ZHANGYan，SUNBao－zhong
（College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The dynamic mechanical response of three－dimensional （3－D）braided fabric reinforced composite under transverse impact was tested with modified split Hopkinson bar.The experimental results showed that the peak load increased with the increase of impact velocity.Based on the fracture morphologies of 3－D braided fabric reinforced composites，the failure mode was changed from resin crack to fiber tows breakage with the increase of impact velocity.The frequency－amplitude curve in frequency－domain can be obtained from time－load curve in time－domain by fast Fourier transform （FFT）method.It can be observed from the curve that the impact stress wave mainly concentrated on the low frequency area and the stress wave amplitude increased with the increase of impact velocity.

3－D braided fabric reinforced composite；transverse impact；Hopkinson bar；fast Fourier transform；frequency－domain character

TB 332

A

1671－0444（2013）01－0037－05

2012－06－21

張 巖（1986－），男，山東東營(yíng)人，博士研究生，研究方向?yàn)槿S編織復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能.E－mail：zhangyan1986＠m(xù)ail.dhu.edu.cn

孫寶忠（聯(lián)系人），男，副教授，E－mail：sunbz＠dhu.edu.cn