陳勇，廖高健，任立海, 劉西

重慶理工大學 車輛工程學院 汽車零部件先進制造教育部重點實驗室，重慶 400054

玻璃纖維增強鋁合金(GLARE)層板，是一類由鋁合金、玻璃纖維增強復合材料交替層壓鋪設而成的一種超混雜復合材料，廣泛應用于國際航空工業(yè)，如空客A380機身設計[1-2]。飛機等航空器在服役過程中可能遭受子彈、引擎碎片等引起的高速沖擊，引發(fā)災難。因此，纖維金屬層板沖擊損傷容限研究吸引了眾多學者的注意[3-10]。針對高速沖擊，Ahmadi等[11]對不同厚度比的GLARE層板進行了高速沖擊試驗，結(jié)果表明GLARE層板的比穿透能與其金屬-復合材料的體積比相關。Yaghoubi和Liaw[12]得到類似結(jié)論，GLARE 5的彈道極限與其金屬-復合材料的體積比相關。Abdullah和Cantwell[13]通過高速沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)采用2024-T3作為金屬層的纖維金屬層板(FMLs)比采用2024-O的抗沖擊性能更優(yōu)越。Yaghoubi和Liaw[14]彈道沖擊試驗結(jié)果表明，鋁合金鋪層的彎曲和拉伸變形是GLARE層板梁的主要吸能方式。Zarei等[15]對GLARE層板彈道沖擊力學性能進行了試驗和數(shù)值仿真研究，結(jié)果表明鋁合金鋪層的厚度和子彈彈頭形狀均會影響GLARE層板的彈道極限。

鑒于單次沖擊可能不會對FMLs造成嚴重損傷，多次沖擊則會導致?lián)p傷累積，Rajkumar等[16-17]對FMLs進行了低速重復沖擊試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用玻璃纖維復合材料鋪層的FMLs的吸能效果比采用碳纖維復合材料鋪層更好。Morinière等[18]對低速重復沖擊載荷下GLARE層板的損傷累積進行了試驗研究，結(jié)果表明復合材料鋪層的纖維損傷、基體斷裂和分層損傷隨著沖擊次數(shù)的增加逐漸擴展。Tooski等[19]對GLARE層板在不同位置處的重復沖擊進行了研究，結(jié)果表明金屬鋪層在GLARE層板抗重復沖擊過程中發(fā)揮了重要作用。

綜上，目前針對GLARE層板沖擊損傷容限的研究主要集中在單次沖擊方面，針對重復沖擊損傷的研究也主要集中在低速沖擊條件下，針對高速沖擊載荷下的重復沖擊研究極少。同時，針對GLARE層板的高速沖擊試驗也集中于靶板的中心位置，缺乏邊、角位置處的邊界效應影響分析。本文結(jié)合試驗和數(shù)值仿真技術，對GLARE層板進行單次、多次重復彈道沖擊試驗，研究GLARE層板的沖擊損傷耐久性及損傷容限。在GLARE層板靶板的中心位置、邊位置和角位置分別進行沖擊試驗，研究約束效應對其沖擊動態(tài)響應的影響規(guī)律。研究結(jié)果有望為航空工業(yè)選材和安全評估提供理論依據(jù)。

1 試件制作

本文以目前工程應用的一類典型標準層板——GLARE 3[20]為背景選取研究對象。GLARE 3由2024-T3鋁合金、S2-glass/epoxy復合材料組成，鋪設方式為[Al/0/90/Al/90/0/Al]。GLARE 3具有良好的耐疲勞和抗沖擊特性，因此在實際工程中獲得廣泛應用。本文選取GLARE 3中的單胞鋪設結(jié)構為研究對象，即[Al/0/90/Al]鋪設結(jié)構。結(jié)合本文原材料(鋁合金、復合材料預浸料)的實際厚度，為保證金屬-復合材料鋪層厚度比值適當，采用[Al/02/902/Al]鋪設結(jié)構，如圖 1所示。本文GLARE層板以2A12鋁合金薄板與單向S2-glass/epoxy預浸料為原材料。鋁合金由哈爾濱東輕鋁合金有限公司提供，厚度為0.5 mm。S2-glass/epoxy預浸料由北京航材昌盛科技有限公司提供，厚度為0.15 mm。

GLARE層板沖擊試驗件由北京航材昌盛科技有限公司負責制作，制作過程如下：首先將鋁合金板裁割成100 mm×100 mm的正方形板，再進行除塵、去油、去氧化層處理，然后選擇處理后的2層鋁合金板與4層單向S2-glass/epoxy預浸料按圖 1方式疊層鋪設。鋁合金/復合材料鋪層界面采用厚度為60 μm的聚丙烯 (Polypropylene) 薄膜充當粘結(jié)層。最后，將鋪設好的所有鋪層整體放入熱壓罐中，從室溫加熱到120 ℃，保持恒溫4 h，再冷卻至室溫固化成型，固化壓力為0.6 MPa。最終制成200 mm×200 mm×1.6 mm的GLARE方板。

2 試驗方法

沖擊試驗采用氣體炮進行，主要包括發(fā)射裝置、測速裝置、靶艙和配套的高速攝像系統(tǒng)，如圖2所示。發(fā)射裝置采用高壓氣體(氮氣)驅(qū)動，通過調(diào)整充氣壓力，獲得不同的子彈發(fā)射速度。子彈采用38CrSi鋼材料制作，經(jīng)過油淬硬化處理，保證整個沖擊過程中子彈不發(fā)生塑性變形。每顆子彈的質(zhì)量為29.40 g，子彈為圓柱形狀，?12.7 mm×30 mm。

每次試驗中，GLARE靶板均通過剛性夾具(見圖 3)固定，將靶板通過螺栓固定在剛性夾具中間，然后將安裝好試件的夾具通過螺栓固定于靶艙內(nèi)。除了靶板中心位置(Middle Point)，還在靶板靠近夾具邊緣的邊位置(Edge Point)和角位置(Corner Point)進行單次和重復沖擊試驗，分析GLARE層板沖擊損傷容限。具體沖擊位置如圖4所示。

試驗過程中，首先在中心位置進行單次沖擊，并獲取彈道極限速度；然后在中心位置、邊位置和

角位置分別進行重復沖擊，重復沖擊速度低于中心位置沖擊獲取的彈道極限。針對重復沖擊，采用相同子彈在同一位置對GLARE層板進行重復沖擊，直至子彈穿透GLARE層板。

通過Photron FASTCAMSA5高速攝相機拍攝整個沖擊過程，并通過高速相機拍攝的照片計算子彈的初始速度(Vi)和穿透靶板后的剩余速度(Vr)。為保證速度的可靠性，試驗過程中同時采用激光測速系統(tǒng)測量子彈的初始速度，與相機測量結(jié)果對比，當兩者誤差小于0.02%時認為數(shù)據(jù)有效。子彈相機測速示意圖如圖 5所示：首先根據(jù)照片獲取子彈在彈道上移動的距離(Δx)，然后結(jié)合相機幀數(shù)確定時間差(Δt=t2-t1)，由此計算速度。

3 試驗結(jié)果

3.1 單次沖擊損傷容限

彈道極限速度是評價某靶板在特定沖擊條件下抗沖擊性能的重要指標之一。通常采用臨界穿透速度(V50)定義靶板的彈道極限速度，即子彈部分侵入靶板的最高速度和完全穿透靶板的最低速度的平均值[21]。中心位置撞擊條件下，通過試驗獲取本文GLARE層板的彈道極限速度V50=89.61 m/s。此時，子彈剩余速度與初始速度可通過經(jīng)典Recht-Ipson彈道極限方程[21]擬合為

(1)

式中：a和p為擬合參數(shù)，本文獲取結(jié)果為a=0.53，p=2.64。擬合結(jié)果如圖 6所示。通過初始速度和剩余速度計算子彈穿透GLARE層板后的動能損失Ea。由圖 6可見，子彈能量損失隨其初始速度的增加逐漸增大?？梢姡訌棝_擊動能增大時，GLARE層板吸收的沖擊能量也隨之增大。

沖擊結(jié)束后檢查GLARE層板正面(迎向沖擊面)、背面(背向沖擊面)損傷模式。中心位置彈道沖擊條件下，GLARE層板典型損傷模式如圖7所示，圖中分別給出沖擊反彈、子彈臨界擊穿靶板和子彈穿透靶板3種典型試驗結(jié)果。圖中，箭頭方向代表與該金屬鋪層相鄰的復合材料鋪層的纖維方向。

當子彈沖擊速度低于GLARE層板彈道極限速度時，GLARE層板正面金屬層發(fā)生成坑，并沿子彈四周發(fā)生圓形剪切斷裂損傷(見圖 7(a))。這是由于沖擊過程中GLARE層板正面金屬層與子彈接觸區(qū)域在沿子彈橫截面的邊界位置形成局部剪應力所致。背面金屬層則發(fā)生鼓包變形，并且形成單向裂紋(見圖7(a))。同時，由于背面金屬層發(fā)生的塑性變形明顯大于相鄰復合材料鋪層的彈性變形，導致沖擊位置附近GLARE層板背面金屬層與其相鄰的復合材料鋪層發(fā)生脫膠損傷(見圖 7(a))。另外，也可發(fā)現(xiàn)，GLARE層板背面金屬層的單向裂紋方向與其相鄰復合材料鋪層的纖維方向相同。這是由于沖擊載荷作用下，背面復合材料鋪層由于變形引起基體拉伸損傷，進而導致纖維脫膠，脫膠處的復合材料承載能力急劇下降，最終導致該處金屬層發(fā)生斷裂損傷。

當子彈初始速度接近或等于GLARE層板彈道極限速度時，GLARE層板正面金屬層發(fā)生剪切沖塞，沖塞區(qū)域為圓形，面積近似等于子彈橫截面積，如圖 7(b)所示。GLARE層板背面金屬層則沿與其相鄰復合材料鋪層的纖維方向發(fā)生拉伸斷裂損傷。同時，穿透導致背面金屬層沿與其相鄰復合材料鋪層的橫向方向產(chǎn)生了拉伸裂紋。另外，由于穿透導致復合材料鋪層發(fā)生大變形，復合材料鋪層所受應力超過纖維拉伸失效應力，最終形成纖維脆斷(見圖 7(b))。

當子彈初始速度高于GLARE層板彈道極限速度時，正面金屬層由于剪切作用形成剪切沖塞，并可看到與正面金屬層相鄰的復合材料鋪層發(fā)生了明顯的纖維脆斷(見圖7 (c))失效。GLARE層板背面金屬層發(fā)生了雙向拉伸斷裂損傷，并可觀察到與背面金屬層相鄰的復合材料鋪層發(fā)生了明顯的纖維脫膠和纖維脆斷失效(見圖 7(c))。

由圖 7也可發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊速度的提高，GLARE層板背面的損傷面積逐漸增大。彈道沖擊條件下，GLARE層板主要通過塑性變形、金屬層斷裂、脫膠和纖維脆斷等方式釋放吸收的沖擊能量。GLARE層板的損傷模式與子彈初始速度密切相關，包括金屬層裂紋、纖維脆斷以及損傷面積等。

3.2 重復沖擊損傷容限

1) 工況1 ，Vi≈72 m/s

基于中心位置撞擊條件下GLARE層板的彈道極限速度(89.61 m/s)，首先采用72 m/s的初始速度進行重復沖擊，以保證2次重復沖擊的動能之和(76.41 J×2)近似等于101.96 m/s (見圖7(c))的單次沖擊動能(152.82 J)。

圖 8為Vi≈72 m/s時中心位置重復沖擊試驗結(jié)果。第1次沖擊(Vi=72.76 m/s)后，GLARE層板正面金屬層發(fā)生成坑，并沿子彈邊界產(chǎn)生臨界環(huán)向裂紋；背面金屬層產(chǎn)生臨界單向裂紋。可見，第1次沖擊過程中，GLARE層板主要通過塑性變形和金屬層斷裂吸收沖擊能量。第2次沖擊(Vi=72.68 m/s)后，GLARE 發(fā)生穿透，正面金屬層沿第1次沖擊后產(chǎn)生的環(huán)向裂紋區(qū)域形成剪切沖塞，并且在沖塞區(qū)域發(fā)生明顯的復合材料拉伸斷裂損傷；背面金屬鋪層沿第1次沖擊后形成的單向裂紋進行裂紋擴展，并且GLARE層板中間的復合材料鋪層在金屬裂紋附近發(fā)生明顯脫膠和纖維脆斷失效(見圖 8)?？梢?，第2次沖擊過程中，GLARE層板主要依靠金屬層斷裂和復合材料損傷吸收沖擊能量。

由圖 7和圖 8可見，重復沖擊2次 (77.82 J+77.65 J)后，GLARE層板的損傷模式與單次沖擊(152.82 J×1)后的損傷模式類似，如金屬層斷裂、金屬-復合材料界面脫膠、復合材料損傷等。但重復沖擊2次后，背面金屬層裂紋長度明顯比152.82 J單次沖擊后的裂紋更長。雖然總沖擊能量相當，但由于重復沖擊產(chǎn)生了累積塑性變形，導致重復沖擊條件下GLARE層板抵抗變形的能力下降，更多依賴損傷形式吸收沖擊能量。

圖 9為Vi≈72 m/s時角位置重復沖擊試驗結(jié)果。第1次沖擊(Vi=72.23 m/s)后，GLARE層板便發(fā)生穿透，正面金屬層發(fā)生剪切沖塞(見圖9)，背面金屬層發(fā)生圓形撕裂。角位置沖擊過程中，由于夾具約束作用，GLARE層板靠近夾具區(qū)域變形小于遠離夾具區(qū)域，導致子彈在沖擊過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，背面金屬層發(fā)生拉剪撕裂。

由圖 8和圖 9可見，Vi≈72 m/s重復沖擊時，中心位置2次沖擊后才發(fā)生穿透，角位置則1次穿透，證明角位置沖擊時GLARE層板的彈道極限速度明顯低于中心位置沖擊結(jié)果(89.61 m/s)。可見約束效應對GLARE層板的彈道極限速度及抗重復沖擊性能具有顯著影響。由于約束效應，距離夾具較近的靶板區(qū)域彈塑性變形能力下降，更多依賴損傷形式釋放吸收的沖擊能量，因此更容易發(fā)生穿透。并且，約束效應也會導致沖擊過程中GLARE層板的動態(tài)響應和損傷模式不同，如子彈偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象、背面金屬圓形撕裂損傷模式等。

2) 工況2 ，Vi≈60 m/s

鑒于Vi≈72 m/s時，角位置沖擊1次穿透，為更好地分析角位置重復沖擊條件下GLARE層板的損傷累積效應，進一步采用Vi≈60 m/s分別在中心位置、邊位置和角位置對GLARE層板進行重復沖擊。

高鐵CPⅢ網(wǎng)外業(yè)測量時每個測站觀測12個或8個CPⅢ點，通過借鑒高鐵外業(yè)測量的測站情況以及城市軌道交通由曲線段的通視距離，來分析研究地鐵軌道控制網(wǎng)的自由測站觀測控制點的具體數(shù)目[2]。通過計算當測站觀測前后各兩對共8個點時，控制點最大縱向間距大致是通視距離的2/3，當測站觀測前后各3對共12個控制點時，控制點最大縱向間距大致是通視距離的2/5。根據(jù)表1中的通視距離，可以計算出測站觀測12個或8個控制點時、曲線段的不同曲線半徑下的控制點縱向間距最大值，結(jié)果見表2。

圖 10為Vi≈60 m/s時中心位置重復沖擊試驗結(jié)果。第1次沖擊后，GLARE層板正面發(fā)生成坑，背面則發(fā)生鼓包變形。第2次沖擊后，GLARE層板正面金屬層形成臨界沖塞，背面則產(chǎn)生明顯單向裂紋。第3次沖擊后，GLARE層板發(fā)生穿透，正面形成剪切沖塞，背面產(chǎn)生拉伸開裂，并發(fā)生明顯的復合材料纖維拉伸失效?？梢?，重復沖擊條件下，當子彈沖擊速度低于GLARE層板彈道極限時，GLARE層板首先通過塑性變形吸收沖擊能量；隨著沖擊次數(shù)的累加，GLARE層板塑性變形能力逐漸下降，開始通過發(fā)生金屬損傷以及復合材料損傷的形式吸收沖擊能量，并且重復沖擊使GLARE層板發(fā)生損傷累積并加速損傷擴展，導致GLARE層板抗沖擊能力急劇下降，比未發(fā)生損傷時更容易被擊穿。

圖11為Vi≈60 m/s時邊位置重復沖擊試驗結(jié)果。第1次、第2次沖擊后GLARE的損傷模式與中心位置沖擊條件下相似(見圖10和圖11)，主要發(fā)生塑性變形和金屬裂紋損傷；第3剪切沖塞，背面金屬層發(fā)生拉伸剪切失效，并可見明顯的復合材料-金屬界面脫膠以及纖維斷裂失效。第1次沖擊后，正面金屬層成坑的深淺程度呈現(xiàn)不均勻性，背面則形成近似雙曲線的弧形裂紋。由于夾具的約束作用，導致靶板在遠離夾具區(qū)域可更多地依靠變形方式釋放能量，因此成坑深度更淺。同理，由于變形的不均勻性，導致子彈穿透靶板過程中發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，第2次沖擊后背面金屬層發(fā)生撕裂。

由圖10～圖12可見，Vi≈60 m/s重復沖擊條件下，GLARE層板在角位置沖擊比邊位置和中心位置更容易發(fā)生穿透。綜合單次、重復沖擊次沖擊后，GLARE層板發(fā)生穿透。并且，由于側(cè)邊位置離邊界較近，導致GLARE層板發(fā)生塑性變形的能力不如中心位置沖擊條件下，因此側(cè)邊位置第3次沖擊時GLARE層板背面金屬層發(fā)生了剪切沖塞，與其相鄰的復合材料鋪層則發(fā)生脆斷失效。由此表明重復沖擊條件下，GLARE層板在側(cè)邊位置比中心位置更容易發(fā)生擊穿。

圖12為Vi≈60 m/s時角位置重復沖擊試驗結(jié)果。第1次沖擊后，GLARE正面金屬層發(fā)生成坑，背面金屬層發(fā)生環(huán)向裂紋，表明GLARE層板已經(jīng)開始通過損傷形式吸收沖擊能量；第2次沖擊后GLARE層板發(fā)生穿透，正面金屬層形成試驗結(jié)果，可見邊界效應對GLARE層板彈道沖擊損傷行為具有重要影響。GLARE層板靠近夾具的邊、角位置比中心位置更容易發(fā)生損傷甚至穿透。由于實際工程中的GLARE層板及其結(jié)構件通常為框架結(jié)構，因此有必要在靠近框架邊、角的位置適當加強對GLARE層板及其結(jié)構件的沖擊防護。

4 有限元數(shù)值仿真

4.1 鋁合金鋪層

鋁合金材料采用Johnson-Cook強度模型[22]：

(2)

(3)

4.2 復合材料鋪層

采用應變描述的三維Hashin準則[23]描述Glass/Epoxy復合材料的損傷模式：

(4)

纖維壓縮損傷ε11<0時，

(5)

基體拉伸損傷ε22+ε33>0時，

(6)

基體壓縮損傷ε22+ε33<0時，

(7)

復合材料鋪層相關參數(shù)列于表 2。將該三維漸進復合材料損傷模型編寫成VUMAT子程序，通過ABAQUS/Explicit求解器調(diào)用計算。

4.3 粘結(jié)層

采用粘結(jié)力-張開位移關系描述復合材料-金屬鋪層界面的粘結(jié)行為

表1 鋁合金鋪層材料參數(shù)Table 1 Parameters of aluminum layers

表2 S2-glass/epoxy復合材料鋪層相關參數(shù)Table 2 Parameters of S2-glass/epoxy layer

(8)

式中：Γ為粘結(jié)應力矩陣；K為彈性剛度矩陣；δ為張開位移矩陣。采用二次應力準則描述粘結(jié)層的損傷初始,即

(9)

表3 粘結(jié)層相關參數(shù)Table 3 Parameters of cohesive layer

4.4 有限元模型

鋁合金和復合材料鋪層均采用C3D8R實體單元，子彈采用R3D4剛性單元。GLARE靶板四周固支，在子彈沖擊區(qū)域進行網(wǎng)格細化。建立的典型有限元模型如圖13所示。

4.5 數(shù)值計算結(jié)果

數(shù)值計算獲取的89.61 m/s速度沖擊條件下，GLARE層板的損傷模式與試驗結(jié)果對比如圖 14所示。當單元發(fā)生損傷失效后，進行單元刪除，形成金屬和復合材料鋪層的斷裂損傷。同時，子彈沖擊區(qū)域GLARE層板的粘結(jié)層發(fā)生脫膠，與試驗結(jié)果吻合度較好。可見，該數(shù)值仿真可較好地模擬高速沖擊載荷下GLARE層板的損傷行為。進一步采用數(shù)值仿真獲取的位移、應力結(jié)果直觀分析沖擊過程中GLARE層板的動態(tài)響應。圖 15和圖16分別為60.20 m/s沖擊下GLARE層板的位移響應和應力響應云圖。中心位置沖擊時GLARE應力波由沖擊點向四周對稱傳播，導致GLARE層板發(fā)生規(guī)則的對稱變形；邊、角位置沖擊時板內(nèi)應力波到達邊界處時發(fā)生反射，形成應力波疊加效應，導致遠離夾具端的變形區(qū)域面積明顯大于靠近夾具端，進一步體現(xiàn)了邊界約束效應對GLARE層板動態(tài)響應的影響。

5 結(jié) 論

結(jié)合試驗和數(shù)值仿真方法，對單次、多次沖擊載荷下GLARE層板的高速沖擊損傷容限進行了研究，獲取的主要結(jié)論如下：

1) 獲取了中心位置沖擊條件下GLARE層板的彈道極限方程曲線和損傷模式。彈道沖擊條件下，GLARE層板損傷模式與子彈沖擊速度相關，主要包括塑性變形、金屬層斷裂、金屬-復合材料界面脫膠、纖維脆斷等損傷模式。

2) 重復沖擊導致GLARE層板發(fā)生損傷累積，變形能力逐漸下降。平頭彈重復沖擊條件下，當沖擊初始速度低于GLARE層板彈道極限速度時，GLARE層板首先以發(fā)生塑性變形的形式吸收沖擊能量；隨著沖擊次數(shù)的增加，GLARE層板變形能力逐漸下降，開始通過損傷的形式吸收能量；最后，GLARE層板由于損傷積累發(fā)生損傷擴展，抗沖擊性能急劇下降，直至穿透。

3) 邊界效應對GLARE層板抗彈道沖擊性能具有重要影響。邊界效應導致GLARE層板距離夾具較近區(qū)域的塑性變形比距離較遠處更加明顯，因此角位置沖擊時比中心位置沖擊時的彈道極限速度更低；重復沖擊條件下，邊、角位置的損傷累積效應比中心位置更加明顯，更容易發(fā)生穿透。