劉國倉，伍 莉，呂家龍，吳醫(yī)博，劉 均，程遠勝

(1.華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430074；3.洛陽艦船材料研究所，河南 洛陽 471000)

玻璃纖維增強乙烯樹脂復合材料層合板錐形沖頭碰撞試驗研究

劉國倉1，伍 莉2，呂家龍3，吳醫(yī)博3，劉 均1，程遠勝1

(1.華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430074；3.洛陽艦船材料研究所，河南 洛陽 471000)

利用自行設計的擺錘試驗裝置，對玻璃纖維增強乙烯樹脂復合材料層合板結構開展了低速碰撞試驗研究。通過對比分析沖擊力、試件背面中心點位移以及采用超聲 C 掃描定損技術，對復合材料層合板的損傷特性進行了詳細分析。試驗表明，在一定碰撞能量下復合材料層合板受沖擊面出現(xiàn)明顯損傷，同時伴隨著內部大范圍的分層損傷現(xiàn)象的發(fā)生；隨著碰撞能量的增加，層合板受沖擊面損傷程度隨之增加，背沖擊面也由無明顯損傷到出現(xiàn)基體開裂和纖維斷裂的現(xiàn)象變化；層合板內部分層的面積與其吸收的能量有關。

擺錘試驗；復合材料層合板；超聲 C 掃描；損傷

0 引 言

復合材料具有比強度、比質量高，可設計性強、抗疲勞、耐腐蝕等諸多優(yōu)點。復合材料結構在船舶領域的工程應用中逐漸增加，并且可能存在會與其他結構發(fā)生碰撞的情況，因此復合材料結構抗碰撞性能是艦船結構設計者極為關注的問題之一。

目前，國內外學者[1-4]對于復合材料結構的抗沖擊性能進行了大量的試驗研究，目前沖擊試驗較多的采用落錘沖擊試驗裝置來完成，此類試驗裝置原理簡單，易操作。為節(jié)約成本還可自行設計可操作強的落錘沖擊試驗裝置。張曉娟[5]就將自行研制的落錘沖擊試驗裝置用于復合材料低速沖擊試驗，來研究其損傷阻抗。利用圓周運動獲取沖擊能量的擺錘式沖擊試驗機也可完成碰撞沖擊試驗，W.Hufenbach[6]和 Ik-Hyeon Chio[7]采用擺錘式沖擊試驗機，研究了碳纖維增強復合材料受到低速沖擊時的損傷阻抗。目前對于復合材料結構沖擊試驗研究還大量集中于層合板，這種結構最常見，一般較小且容易獲取[8]。對于鋪層較多、大尺寸的復合材料結構研究較少。對于較多鋪層的復合材料層合板，王念[9]通過試驗研究了不同厚度與鋪層順序對復合材料層合板的沖擊性能影響，發(fā)現(xiàn)相對于薄層合板鋪層順序對厚層合板的沖擊性能影響更大。對于大型復合材料結構，Wisheart[10]對大型復合材料盒段結構進行了低速落錘沖擊試驗，得到了一系列的沖擊參數(shù)。在現(xiàn)有的文獻中，對于小型的標準復合材料試件低速沖擊損傷問題研究較多，而對于工程中大尺寸、鋪層較多的復合材料結構的碰撞試驗研究還不多見。

本文研究對象為大尺寸的玻璃纖維增強乙烯樹脂復合材料層合板，為了研究其抗碰撞沖擊性能，設計了一套具備大沖擊能量的擺錘式碰撞試驗裝置。通過比較分析試驗過程中的沖擊力、層合板碰撞中心點背面位移以及碰撞后的沖擊損傷范圍和程度，綜合分析該層合板結構的抗碰撞性能。

1 復合材料層合板碰撞試驗模型及試驗裝置

本文采用鋼質錐形沖頭對 3 件復合材料層合板模型進行了不同能量的碰撞試驗。試驗模型為 80 層鋪層的玻璃纖維增強乙烯樹脂編織復合材料層合板，每層纖維均為 0° 與 90° 正交編織，總厚度為 16 mm，材料性能參數(shù)如表 1 所示，模型長寬尺寸為 450 mm × 435 mm。

表 1 玻璃纖維增強乙烯樹脂復合材料層合板性能參數(shù)Tab.1 The performance parameters of glass fiber reinforced vinyl resin composite laminates

1.1 擺錘碰撞試驗裝置

擺錘試驗裝置的原理圖如圖 1（a）所示，通過提升擺錘至預定高度后釋放，擺錘在重力作用下獲得沖擊動量，撞擊試件完成碰撞試驗。

擺錘試驗裝置實物圖如圖 1（b）所示，主要由門型架、擺桿固定軸、擺錘頭、電動葫蘆、電磁釋放裝置、軸承、擺桿等部件組成。

擺錘頭的形式如圖 1（c）所示，錘頭由鋼質錐形沖頭、加速度傳感器、鋼質錘體以及配重質量塊組成。錘體重量為 70 kg，通過配重質量塊可調節(jié)擺錘重量，鋼質錐頭直徑為 120 mm。試驗前通過調節(jié)擺錘頭重量可調節(jié)碰撞能量。電磁釋放裝置與電動葫蘆繩索相連，初始狀態(tài)電磁釋放裝置通過磁力吸盤將擺桿吸住，當通過電動葫蘆將擺錘提升至所需高度時，對電磁吸盤進行斷電，擺錘在重力作用下開始擺動直到撞擊到試件。

1.2 復合材料層合板試驗模型安裝方式

碰撞試驗中復合材料層合板采用四邊固支的固定方式。復合材料層合板通過 22 個螺栓固定在夾具上，夾具由槽鋼加工成的上夾具和 2 個“L”型的鋼板構成的下夾具構成。然后將整個模型固定在由 H 型鋼加工成的橫梁上，橫梁由 4 根立柱進行支撐固定。現(xiàn)場圖如圖 2 所示。

2 試驗結果分析

2.1 試驗工況

試驗工況見表 2，在碰撞試驗過程中測量沖頭沖擊力、試件背面中心點位移，試驗結束后通過超聲 C掃描確定試件的損傷區(qū)域，并通過解剖的方式觀察試件損傷的模式和程度。

表 2 擺錘碰撞試驗工況Tab.2 Impact test conditions

2.2 試件損傷情況及分析

2.2.1 試件外觀損傷情況

碰撞試驗中，3 個試件受沖擊面均有明顯損傷，試件 2試件 3 的背沖擊面也發(fā)生了小范圍的損傷，圖 3為 3 個試件碰撞后外觀損傷情況照片。

圖 3（a）中試件 1 被錐形沖頭碰撞之后受沖擊面表面出現(xiàn)了明顯的損傷，在碰撞中心位置模型表面有些許凹陷，此區(qū)域纖維與基體都發(fā)生一定程度的損傷，同時以碰撞位置為中心，出現(xiàn)了長度為 5～7 cm十字型的 4 條裂紋。圖 3（d） 中試件 1 碰撞中心背面局部區(qū)域（如實線圓圈所圍區(qū)域）發(fā)生模型顏色明顯變淺的現(xiàn)象，這可能是由于模型內部出現(xiàn)了損傷所導致。圖 3（b）中試件 2 受沖擊面表面同樣出現(xiàn)明顯損傷，在撞擊中心出現(xiàn)一定程度的凹陷，且在撞擊中心纖維與基體都發(fā)生損傷破壞。與試件 1 不同的是，圍繞撞擊中心出現(xiàn)了長度為 7～8 cm 三條明顯的裂紋，相比試件 1 的受沖擊面裂紋長度要長，且在碰撞背面，基體和纖維也發(fā)生了斷裂，如圖 3（e）中小實線圓所圍區(qū)域，且在此區(qū)域外圍一定范圍內，如圖中大虛線圈圈所圍區(qū)域，同樣發(fā)生了模型顏色變淺的現(xiàn)象。試件 3 破壞形式與試件 1 和試件 2 類似，但是無論受沖擊面還是背沖擊面，模型破壞程度都比試件 1嚴重，在受沖擊面以碰撞位置為中心，出現(xiàn)了長度為8～9 cm 的十字型的 4 條裂紋，背沖擊面同樣發(fā)生了模型顏色變淺的現(xiàn)象。根據 3 個試件在錐形沖頭不同能量碰撞下的外觀損傷情況可以看出，復合材料層合板的損傷形式與碰撞能量有密切聯(lián)系，碰撞能量越大，復合材料層合板的表面損傷越為嚴重，且模型背沖擊面由無明顯損傷到出現(xiàn)明顯損傷變化。

2.2.2 復合材料層合板內部損傷區(qū)域

試驗結束后，通過超聲 C 掃描對整個復合材料層合板進行掃描，可確定層合板內部的損傷區(qū)域范圍。具體方法：將超聲探頭置于層合板表面，并緩慢移動，當層合板內部無損傷時，彩色超聲 C 掃描效果圖顯示為全部為橙紅色如圖 4（a）所示，當內部有損傷時，則顯示為藍白色如圖 4（b）所示；當將探頭由無損傷的區(qū)域向存在損傷的區(qū)域移動或者反之，超聲 C掃描效果圖中出現(xiàn)橙紅色與藍白色共存的現(xiàn)象，如圖4（c）和圖 4（d）所示。根據圖中橙紅色與藍白色分界線即可確定存在損傷區(qū)域與無損傷區(qū)域的臨界點，然后在層合板表面相應位置做上標記。重復上面程序，直至完成對整個層合板的掃描。最后把標記點用線連起來，這樣就可確定層合板內部損傷區(qū)域的范圍，如圖 5 所示，試件上的黑線所圍區(qū)域即為內部損傷區(qū)域。

圖 5 給出了經超聲 C 掃描確定的層合板內部損傷區(qū)域。從圖 5 可看出，3 個試件在層合板內部出現(xiàn)了大面積的損傷，經過測量后發(fā)現(xiàn)，試件 2 內部損傷面積要大于試件 3 的內部損傷面積。這可能是由于試件3 受沖擊面損傷較試件 2 嚴重，吸收了部分能量所致。

經超聲 C 掃描確定了損傷區(qū)域后，3 個試件在距模型中心處 100 × 100 mm 矩形大小處經水刀切割，且試件 1 在碰撞中心處縱橫切割后，細致的觀測復合材料層合板內部的損傷情況，發(fā)現(xiàn)模型內部發(fā)生的損傷是由于發(fā)生分層現(xiàn)象所導致。圖 6 給出了經切割后觀測的復合材料層合板的內部分層情況。

由圖 6（a）可以看出，試件 1 經在碰撞中心處切割后發(fā)現(xiàn)，在截面處發(fā)生了多層的分層現(xiàn)象?？梢娫嚰?1 經錐頭碰撞后，表面發(fā)生纖維斷裂和基體開裂的同時伴隨著內部分層現(xiàn)象的發(fā)生。同時可以確定超聲C 掃描確定的損傷面積（如圖 6 中黑線所示）是準確的。圖 6（b）試件 2 中截面處有一個明顯的分層現(xiàn)象，經超聲掃描確定的試件 2 的分層范圍明顯大于試件 1 的分層范圍，并且在試件背沖擊面發(fā)生了纖維斷裂和基體開裂的損傷。由此可見損傷程度明顯大于試件 1 損傷程度。圖 6（e）試件 3 在切割處截面未見分層現(xiàn)象，這是因為切割處范圍大于掃描所確定的損傷范圍，但經前 2 個試件所確定的分層范圍也可推斷出其內部也發(fā)生了分層現(xiàn)象，造成的內部損傷。經剖視圖可以看出，層合板內部的損傷是發(fā)生了較大范圍的分層現(xiàn)象。層合板受沖擊面有明顯損傷的同時內部也發(fā)生了較大范圍的分層現(xiàn)象。

2.3 沖擊力及位移對比分析

表 3 給出了 3 個試件的沖頭沖擊力以及試件背面中心點位移的峰值。

表 3 沖頭沖擊力及背面中心點位移峰值Tab.3 The impact force and displacement of the center of the back

圖 7 給出了試件 1～ 試件 3 的沖頭沖擊力隨時間變化曲線。從圖中可以看出，沖頭沖擊力的峰值隨沖擊能量的增大而增大，除試件 1 外，試件 2 和試件 3碰撞持續(xù)時間大致在 15 ms 左右。試件 2 和試件 3 的碰撞能量較大，碰撞持續(xù)時間較長，造成試件損傷較試件 1 更為嚴重。3 個試件的沖頭沖擊力時程曲線均出現(xiàn)波動現(xiàn)象，這可能是因為碰撞能量較高，碰撞過程中模型發(fā)生了損傷及擴展使得材料剛度發(fā)生變化，從而導致沖擊力曲線的波動。圖 8 給出了試件 1～試件 3 的背面中心點位移隨時間變化曲線。從圖中可以看出，各試件背面中心點位移的峰值隨沖擊能量的增大而增大，同沖擊力時程曲線，除試件 1 外，試件 2和試件 3 的碰撞持續(xù)時間大致在 15 ms左右。試件 1 的位移峰值明顯偏小，相比試件 2 和試件 3 碰撞能量較低，損傷程度最低。從而位移峰值偏小。

3 結 語

1）設計了一套具備大沖擊能量的擺錘沖擊試驗裝置，試驗表明擺錘裝置設計以及相應工裝件的設計成功，可以實現(xiàn)大型復合材料結構的碰撞試驗。

2）在錐形沖頭的沖擊下，復合材料層合板的沖擊損傷形式、區(qū)域及程度與碰撞能量有著密切的聯(lián)系。在一定碰撞能量下復合材料層合板碰撞面出現(xiàn)明顯損傷，同時伴隨著內部大范圍的分層損傷現(xiàn)象的發(fā)生；隨著碰撞能量的增加，層合板碰撞面損傷程度隨之增加，碰撞背面也由無明顯損傷到出現(xiàn)基體開裂和纖維斷裂的現(xiàn)象變化；層合板表面損傷會吸收部分能量，影響內部分層面積大小。

3）隨著碰撞能量增加，復合材料層合板的碰撞中心的位移的峰值以及沖頭沖擊力均會逐漸增加。

[1]沈真, 陳普會, 劉俊石, 等.含缺陷復合材料層壓板的壓縮破壞機理[J].航空學報, 1991, 12(3): 106-133.

[2]竺鋁濤, 張發(fā).碳纖維復合材料層合板低俗沖擊試驗研究[J].航空發(fā)動機, 2015(1): 85-88.

[3]LEI Yang, YING Yan, NAI Hang-kuang.Experimental and numerical investigation of aramid fiber reinforced laminates subjected to low velocity impact[J].Polymer Testing, 2013(32): 1163-1173.

[4]ANDERSON T, MADENCI E.Experimental investigation of low-velocity impact characteristics of sandwich composites[J].Composite Structures, 2000(50): 239-247.

[5]張曉娟, 張博平.復合材料層合板低速沖擊損傷方法研究[J].航空計算技術, 2010(3): 68-70.

[6]HIFENBACH W, MARQUES IBRAIM F, LANGKAMP A, et al.Charpy impact tests on composite structures-An experimental and numerical investigation[J].Composites Science and Technology, 2008(68): 2391-2400.

[7]IK-HYEON CHOI, IN-GEOL KIM, SEOK-MIN AHN, et al.Analytical and experimental studies on the low-velocity impact response and damage of composite laminates under inplane loads with structural damping effects[J].Composites Science and Technology, 2010(70): 1513-1522.

[8]曹翔.大型復合材料結構落重沖擊試驗技術研究[D].上海;上海交通大學, 2012.

[9]王念, 王志瑾.復合材料層合板低速沖擊損傷研究[J].飛機設計, 2015(2): 5-10,14.

[10]M WISHEART, M.O.W.RICHARDSON.Low velocity response of a complex geometry pultruded glass/polyester composite[J].Journal of Materials Science, 1999(34): 1107-1116

Experimental study on impact damage of glass fiber reinforced vinyl resin composite laminates

LIU Guo-cang1, WU Li2, LV Jia-long3, WU Yi-bo3, LIU Jun1, CHENG Yuan-sheng1
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430074, China; 3.Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471000, China)

The low speed impact test of glass fiber reinforced vinyl resin composite laminated plate is studied by using a self-designed pendulum test device.Through the comparative analysis of the impact force, the back center displacement of the specimen and the use of ultrasonic C scanning technology, the damage characteristics of composite laminates are analyzed in detail.The impact surface of composite laminates with a certain impact is obviously damaged, and it is accompanied by a large range of delamination damage in the interior.With the increase of the collision energy, the damage degree of the laminate is increased, and the back surface is changed by the phenomenon of matrix cracking and fiber breakage.And the area of the delamination of the laminate is related to the energy absorbed by the laminate.

pendulum test；composite laminate；ultrasonic scanning；damage

U668.3+4

：A

1672-7619(2017)01-0063-05doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.013

2016-03-24；

: 2016-05-26

劉國倉(1990-)，男，碩士研究生，主要從事船舶結構沖擊動力學分析研究。