崔海坡，陳婷婷，王雙情

(上海理工大學(xué)，教育部微創(chuàng)醫(yī)療器械工程中心，上海 200093)

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碳纖維復(fù)合材料假腳沖擊后的疲勞試驗(yàn)

崔海坡，陳婷婷，王雙情

(上海理工大學(xué)，教育部微創(chuàng)醫(yī)療器械工程中心，上海 200093)

針對(duì)一種新型結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料假腳，開(kāi)展了自由落體沖擊試驗(yàn)及沖擊后疲勞壽命試驗(yàn)，分析了不同鋪層參數(shù)、不同沖擊能量等因素對(duì)其沖擊損傷及疲勞壽命的影響規(guī)律。結(jié)果表明，不同鋪層參數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料假腳U形結(jié)構(gòu)件的沖擊損傷具有顯著影響，且隨著0°鋪層含量的降低，試件的沖擊損傷面積增加，外觀損傷越來(lái)越嚴(yán)重；碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的疲勞性能對(duì)沖擊能量比較敏感，隨著沖擊能量的增加，碳纖維結(jié)構(gòu)件的沖擊損傷面積明顯增大，其疲勞壽命逐漸降低。在沖擊能量從4J增加到10J的情況下，碳纖維復(fù)合材料假腳的疲勞壽命大幅度降低了66.8%；盡管隨著沖擊能量的增加，試件的疲勞壽命逐漸降低，但二者之間并不符合線性關(guān)系，即沖擊能量存在一門(mén)檻值，當(dāng)沖擊能量超過(guò)該門(mén)檻值后，其對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的影響將減弱；僅當(dāng)碳纖維復(fù)合材料假腳的后龍骨厚度為2.7mm，且沖擊能量≤4J的情況下，其疲勞壽命才可較好地滿(mǎn)足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

假腳； 沖擊損傷； 疲勞壽命； 碳纖維復(fù)合材料

1 前 言

對(duì)穿戴假肢的患者而言，假肢的重量將直接影響到其運(yùn)動(dòng)所消耗的能量，從而會(huì)影響到患者穿戴假肢的效果。因此，在設(shè)計(jì)制作假肢零部件過(guò)程中，應(yīng)盡可能選擇重量輕的材料。近十幾年來(lái)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有重量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]，已逐漸應(yīng)用到假肢領(lǐng)域。目前，國(guó)際上著名的假肢公司都已設(shè)計(jì)制造出了碳纖維復(fù)合材料假腳。最近幾年，我國(guó)也自主研發(fā)了三款碳纖維假腳產(chǎn)品。然而市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，與國(guó)外的產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)的假腳在結(jié)構(gòu)的合理性方面仍有待改進(jìn)[2]。此外，由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)沖擊載荷比較敏感，即使沖擊能量較低，也可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞性能大幅下降，甚至直接引發(fā)事故[3]，從而降低了假腳的安全性。因此，對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的沖擊損傷及疲勞壽命開(kāi)展研究具有重要的意義。

許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者都針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了研究[4-7]。Long[8]、Shi[9]、Xiao[10]等人分別對(duì)沖擊后層合板內(nèi)出現(xiàn)的分層損傷、層內(nèi)/層間裂紋、沖擊損傷面積等進(jìn)行了模擬分析與預(yù)測(cè)。Tarpani等[11]對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚苯基硫復(fù)合材料層合板開(kāi)展了沖擊及沖擊后的疲勞測(cè)試，其結(jié)果表明，對(duì)于該類(lèi)復(fù)合材料層合板，其可承受的最大沖擊能量是10J，且沖擊后需對(duì)樣品進(jìn)行修復(fù)，其性能才不至于出現(xiàn)明顯下降，否則該結(jié)構(gòu)件將失效。Koo等[12]建立了一種預(yù)測(cè)碳纖維增強(qiáng)編制復(fù)合材料層合板沖擊后疲勞壽命的理論模型，在該模型中，將沖擊損傷處等效為孔槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明了模型的有效性。Koo等[12]還進(jìn)一步研究了不同沖擊能量以及不同沖頭直徑對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板疲勞壽命的影響規(guī)律。Kosmann等[13]制作了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材樣品，并開(kāi)展了低能沖擊實(shí)驗(yàn)及沖擊后的拉-壓疲勞測(cè)試。結(jié)果表明，沖擊損傷對(duì)試件疲勞破壞的影響具有累積效應(yīng)，當(dāng)載荷的循環(huán)次數(shù)達(dá)到樣品疲勞壽命的40%左右時(shí)，樣品內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)新的損傷，且?guī)缀跛袠悠范际侵苯釉跊_擊損傷處發(fā)生斷裂。Uyaner等[14]研究了不同沖擊能量及不同應(yīng)力水平下，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管材的沖擊性能、靜態(tài)強(qiáng)度以及疲勞壽命。結(jié)果表明，隨著沖擊能量的增加，管材的靜態(tài)強(qiáng)度及疲勞壽命均下降，且受同樣能量沖擊后，疲勞壽命的下降幅度要高于靜態(tài)強(qiáng)度的下降幅度，表明沖擊損傷對(duì)試件的疲勞壽命影響更為劇烈。Vasconcellos等[15]對(duì)纖維編織增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料進(jìn)行了沖擊、沖擊后拉伸及沖擊后疲勞等測(cè)試，并應(yīng)用已有的理論模型對(duì)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，沖擊損傷將降低試件的拉伸強(qiáng)度，但不會(huì)影響其彈性模量。通過(guò)超聲監(jiān)測(cè)及顯微觀察發(fā)現(xiàn)，未受沖擊的試件其疲勞破壞過(guò)程可分為3個(gè)階段，而沖擊后試件的疲勞破壞過(guò)程縮減為2個(gè)階段。

綜合已有研究來(lái)看，對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材及管材研究得較多，而對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)件開(kāi)展研究的較少?；谏鲜龇治?，本文利用仿生原理，設(shè)計(jì)制作了一款新型結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料假腳[16]，并對(duì)其在沖擊載荷及沖擊后壓-壓疲勞載荷作用下的破壞過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，分析了不同鋪層參數(shù)、不同沖擊能量等因素對(duì)碳纖維假腳的沖擊損傷及疲勞壽命的影響規(guī)律，從而為該材料的抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

2 材料與試件

本試驗(yàn)所用試件的主體制作材料為T(mén)300/BMP-316復(fù)合材料。試件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含5個(gè)部件，分別是踝足連接器、上板、U形前龍骨、雙下板以及U形后龍骨。由于對(duì)于圖1所示的試件，在壓-壓疲勞載荷作用下，U形后龍骨為最易發(fā)生破壞的部位，故本文將主要針對(duì)該部件進(jìn)行研究。

試驗(yàn)共需15個(gè)試件，平均分成5組，每組3個(gè)試件。試驗(yàn)前，將所有試件按照下述標(biāo)識(shí)進(jìn)行分類(lèi)和編號(hào)：LP-N。其中，L代表鋪層參數(shù)，P代表沖擊能量，N代表同一類(lèi)試件的序號(hào)。例如，編號(hào)C10-3表示：鋪層參數(shù)為C，沖擊能量為10J的第3個(gè)試驗(yàn)件。各類(lèi)試件的基本參數(shù)如表1所示。

為分析不同鋪層參數(shù)及不同沖擊能量對(duì)碳纖維假腳的沖擊損傷及其疲勞性能的影響規(guī)律，本文選擇2種鋪層參數(shù)、3種沖擊能量進(jìn)行研究。其中，在分析鋪層參數(shù)的影響規(guī)律時(shí)，固定沖擊能量為22J，后龍骨厚度為1.5mm，選擇表1中的A、B兩種鋪層參數(shù)進(jìn)行分析；在分析沖擊能量的影響規(guī)律時(shí)，固定后龍骨厚度為2.7mm，選擇3種沖擊能量，分別為4J、10J和16J。

表1 試件的基本參數(shù) Table 1 Specimen parameters

3 沖擊試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

由于自由落體式?jīng)_擊可以較好地模擬諸如工具墜落以及外物撞擊等低能量沖擊，因此本試驗(yàn)采用落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)碳纖維假腳進(jìn)行沖擊損傷，所用試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示，試件受沖擊部位為U形后龍骨的正表面。沖擊設(shè)備的導(dǎo)軌高度為150cm。沖擊錘為鐵質(zhì)沖頭，錘體為圓柱形，其端部為半球形(模擬假腳在制備及使用過(guò)程中，沖擊在假腳上的物體具有圓弧面)，直徑是45mm，質(zhì)量固定為1.5kg，通過(guò)調(diào)整沖頭下落高度來(lái)改變沖擊能量。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用特殊裝置以避免沖頭反彈后下落對(duì)試件造成二次沖擊。

圖2 KS-150LC沖擊試驗(yàn)機(jī)Fig.2 KS-150LC impact testing machine (a) Impact testing machine; (b) Inner of the machine; (c) Specimen holding device

3.2 沖擊損傷檢測(cè)

3.2.1 不同鋪層參數(shù)試件沖擊后損傷檢測(cè) 對(duì)于后龍骨厚度為1.5mm的A、B兩種鋪層參數(shù)的試件，受22J能量沖擊后，其外觀損傷如圖3所示。圖中，白色曲線包圍的區(qū)域?yàn)檎砻娴臎_擊損傷處。從圖中可以看出，在22J能量沖擊下，試驗(yàn)件的正面和背面均有明顯的沖擊痕跡。其中，試件B22正面出現(xiàn)了局部壓痕，近似呈圓形，且呈內(nèi)凹狀，背面正中心向外拱起并出現(xiàn)纖維斷裂現(xiàn)象。與B22相比，試件A22正面凹痕更深，并有少量裂紋出現(xiàn)，背面正中心向外拱起現(xiàn)象更嚴(yán)重，且纖維斷裂和分層損傷更為突出。各試件外觀損傷的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖3 不同鋪層參數(shù)試件沖擊后外觀損傷圖形Fig.3 Surface impact damage for different layer parameters

SpecimenDentdiameterd/mmCracklengthl/mmA2220～2526～40B2215～1918～24

沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，為了進(jìn)一步了解不同鋪層參數(shù)對(duì)碳纖維假腳沖擊損傷的影響規(guī)律，利用X光機(jī)對(duì)各試件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。為使損傷區(qū)域顯影明顯，采用四溴乙烷做增強(qiáng)型滲透劑。兩種試件X光探傷照片如圖4所示，圖中曲線包圍的區(qū)域即為沖擊損傷處。

圖4 不同鋪層參數(shù)試件沖擊后的X光損傷照片F(xiàn)ig.4 Impact damage X-radiographs for different layer parameters (a)A22; (b) B22

從圖4中可以看出，受22J能量沖擊后，A、B兩種鋪層參數(shù)的試件沖擊損傷面積均較大，且損傷區(qū)域均近似為圓形，損傷半徑分別約為15.9mm和12.8mm，而后龍骨寬度的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為55.0mm，故損傷區(qū)域沿后龍骨寬度方向占比分別為28.9%和23.3%，表明碳纖維復(fù)合材料對(duì)沖擊載荷比較敏感。

此外，結(jié)合表2和圖4可以看出，對(duì)于本文的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，在其它條件均相同的情況下，A類(lèi)鋪層參數(shù)的試件，其沖擊損傷比B類(lèi)鋪層參數(shù)的試件更嚴(yán)重，表明不同鋪層參數(shù)對(duì)U形后龍骨的沖擊損傷有不同的影響。而已有的研究表明[17-19]，不同鋪層參數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板的沖擊損傷幾乎沒(méi)有影響。通過(guò)進(jìn)一步分析可以看出，在沖擊載荷作用下，U形結(jié)構(gòu)件主要靠0°鋪層吸收沖擊能量，而對(duì)于A22和B22這兩類(lèi)試件而言，其0°鋪層含量分別為0%和10%，因此在沖擊載荷作用下，隨著0°鋪層含量的減少，試件的沖擊損傷面積越來(lái)越大，外觀損傷越來(lái)越嚴(yán)重。而對(duì)于碳纖維復(fù)合材料層合板而言，由于其受沖擊的外表面是平面，沖擊載荷的作用方向垂直于整個(gè)沖擊表面，故無(wú)論是0°鋪層還是90°鋪層，吸收沖擊能量的作用是相同的，因此不同鋪層參數(shù)對(duì)其沖擊損傷幾乎沒(méi)有影響。

3.2.2 不同能量沖擊后試件損傷檢測(cè) 對(duì)于C類(lèi)鋪層參數(shù)的試件，受3種不同能量沖擊后，其外觀損傷如圖5所示。從中可以看出，當(dāng)沖擊能量為4J時(shí)(對(duì)應(yīng)試件C04)，在試件的正面和背面均無(wú)明顯的沖擊痕跡，沒(méi)有可見(jiàn)的目測(cè)損傷；當(dāng)沖擊能量為10J時(shí)(對(duì)應(yīng)試件C10)，正面沖擊痕跡不明顯，背面出現(xiàn)了基體開(kāi)裂和少量的纖維斷裂等可視損傷；當(dāng)沖擊能量為16J時(shí)(對(duì)應(yīng)試件C16)，正面有較為明顯的沖擊特征，出現(xiàn)了近似圓形的局部壓痕(圖中白色圓圈位置處)。試件背面向外拱起，并出現(xiàn)了基體開(kāi)裂、分層和纖維斷裂等損傷。各試件的外觀損傷數(shù)據(jù)如表3所示。

圖5 不同能量沖擊后各試件外觀損傷圖形Fig.5 Surface impact damage for different impact energies

為了進(jìn)一步了解不同沖擊能量對(duì)碳纖維假腳的沖擊損傷，利用X光機(jī)對(duì)沖擊后的試樣進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，同樣采用四溴乙烷做滲透劑，得到的典型探傷照片如圖6所示。結(jié)合表3和圖6可以看出，隨著沖擊能量的增加，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的沖擊損傷面積明顯增大，外觀損傷越來(lái)越嚴(yán)重。

圖6 不同能量沖擊后各試件X光損傷照片F(xiàn)ig.6 Impact damage X-radiographs for different impact energies

SpecimenDentdiameterd/mmCracklengthl/mmC040～20C108～106～8C1610～1211～13

4 沖擊后的疲勞壽命試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，分別對(duì)各試件進(jìn)行壓-壓疲勞壽命測(cè)試。所用設(shè)備為假腳疲勞性能測(cè)試機(jī)，如圖7所示，該試驗(yàn)機(jī)可模擬腳部正常走路時(shí)的循環(huán)承載情況。疲勞試驗(yàn)采用載荷控制方式，根據(jù)GB-T18375.5-2004中關(guān)于踝足裝置動(dòng)態(tài)破壞試驗(yàn)的相關(guān)要求[20]，加載頻率取1.5Hz，壓縮載荷值取1280N。

圖7 假腳疲勞性能測(cè)試機(jī)Fig.7 Fatigue testing machine for prosthetic foot

試驗(yàn)過(guò)程中可明顯發(fā)現(xiàn)，試件在壓-壓疲勞載荷作用下，沖擊損傷處產(chǎn)生的裂紋沿著與壓縮載荷垂直的方向上向外擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至后龍骨的兩側(cè)邊緣后，試件發(fā)生了斷裂。在試件斷裂前，可聽(tīng)見(jiàn)試件內(nèi)部發(fā)出連續(xù)的“啪、啪”聲，表明有大量的纖維斷裂。圖8為C類(lèi)試件疲勞斷裂后的典型外觀照片。從圖中可以看出，試件的斷裂是截?cái)嗍狡茐?，斷裂區(qū)域橫跨沖擊損傷處，在斷裂區(qū)域可見(jiàn)明顯的基體開(kāi)裂和纖維斷裂，從側(cè)面可發(fā)現(xiàn)試件出現(xiàn)了分層損傷。

各組試件的疲勞壽命值如表4所示，從表中可以看出，對(duì)于后龍骨厚度為1.5mm的A類(lèi)和B類(lèi)試件，其在1280N的壓縮載荷下，所能承受的循環(huán)次數(shù)較少(均低于50次)，表明該尺寸的假腳受22J能量沖擊后，其安全性較差，不能用于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。而對(duì)于后龍骨厚度為2.7mm的C類(lèi)試件，只有受4J能量沖擊后，其疲勞壽命均值超過(guò)1×105次，可以較好地滿(mǎn)足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。而當(dāng)沖擊能量為10J和16J時(shí)，其疲勞壽命值均有明顯下降。其中，當(dāng)沖擊能量從4J增加到10J時(shí)，試件的疲勞壽命卻大幅度降低了66.8%，這也進(jìn)一步表明了碳纖維結(jié)構(gòu)件的疲勞性能對(duì)沖擊能量比較敏感。

表4 各試件沖擊后的疲勞壽命

對(duì)于C類(lèi)試件，不同沖擊能量與其疲勞壽命的關(guān)系曲線如圖9所示。從圖中可以看出，盡管隨著沖擊能量的增加，試件的疲勞壽命逐漸降低，但二者之間并不符合線性關(guān)系。其中，當(dāng)沖擊能量從4J增加到10J時(shí)，曲線下降比較劇烈，而當(dāng)沖擊能量從10J增加到16J后(同樣是增加了6J)，曲線下降趨勢(shì)有所減緩。上述數(shù)據(jù)表明，沖擊能量在4J與10J之間有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，或稱(chēng)之為門(mén)檻值，當(dāng)沖擊能量超過(guò)該門(mén)檻值后，其對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的影響將減弱。

圖9 沖擊能量與疲勞壽命關(guān)系曲線Fig.9 Impact energy versus fatigue life

5 結(jié) 論

1.不同鋪層參數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料假腳U形結(jié)構(gòu)件的沖擊損傷具有顯著影響，且隨著0°鋪層含量的減少，試件的沖擊損傷面積越來(lái)越大，外觀損傷越來(lái)越嚴(yán)重。

2.碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的疲勞性能對(duì)沖擊能量比較敏感，隨著沖擊能量的增加，碳纖維結(jié)構(gòu)件的沖擊損傷面積明顯增大，其疲勞壽命逐漸降低。對(duì)于本文分析的碳纖維復(fù)合材料假腳結(jié)構(gòu)件，在沖擊能量從4J增加到10J的情況下，試件的疲勞壽命大幅降低了66.8%。

3.盡管隨著沖擊能量的增加，試件的疲勞壽命逐漸降低，但二者之間并不符合線性關(guān)系，即沖擊能量存在一門(mén)檻值，當(dāng)沖擊能量超過(guò)該門(mén)檻值后，其對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的影響將減弱。

4.對(duì)于本文分析的碳纖維復(fù)合材料假腳，僅當(dāng)后龍骨厚度為2.7mm，且沖擊能量≤4J的情況下，其疲勞壽命才可較好地滿(mǎn)足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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Fatigue Experiment of Carbon Fiber Composites Prosthetic Foot after Impact

CUI Haipo， CHEN Tingting， WANG Shuangqing

(Shanghai Institute for Minimally Invasive Therapy, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Experiment studies on drop-weight impact and fatigue life were performed for a novel carbon fiber composites prosthetic foot. The influences of layer parameter and impact energy on the impact damage and fatigue life of the carbon fiber composites prosthetic foot were analyzed. Results show that, layer parameter has significant influence on the impact damage of U-type component of carbon fiber composites prosthetic foot. With the decrease of 0° layer content, the impact damage area gradually reduces, and surface damage is becoming serious. The fatigue properties of carbon fiber composites are susceptible to the impact energy. With the increase of impact energy, the impact damage area of U-type component increases and fatigue life decreases. On the condition of the impact energy increasing from 4J to 10J, the fatigue life of the carbon fiber composites prosthetic foot drops dramatically by 66.8%. Although the fatigue life deduces with the increasing impact energy, both of them are not of linear relationship. A threshold exists for the impact energy. As the impact energy is higher than the threshold, the influence of impact energy on fatigue life of carbon fiber composites will be weakened. The U-type component with the thickness of 2.7mm and the impact energy less than 4J are necessary conditions for the fatigue life of the carbon fiber composites prosthetic foot, being satisfied with the safety standard.

prosthetic foot； impact damage； fatigue life； carbon fiber composites

1673-2812(2017)02-0219-06

2016-02-17；

2016-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305268)，上海工程技術(shù)研究中心資助項(xiàng)目(15DZ2251700)

崔海坡(1978-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)椴牧显O(shè)計(jì)、分析與應(yīng)用。E-mail：h_b_cui@163.com。

TB332

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.010