付 怡， 于哲峰， 陳保興

(1.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240； 2.中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

現(xiàn)代商用飛機(jī)機(jī)身防撞結(jié)構(gòu)[1]、車(chē)輛防撞梁結(jié)構(gòu)[2]多使用金屬材料，沖擊破壞所產(chǎn)生的能量通常通過(guò)塑性變形吸收，受金屬材料本身的限制，吸收的能量與結(jié)構(gòu)重量之比較小。

復(fù)合材料具有優(yōu)良的能量吸收和耐撞性能，近年來(lái)，引起了一系列行業(yè)的關(guān)注，其中包括汽車(chē)和航空航天行業(yè)。研究人員對(duì)各種類型的管狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，表明復(fù)合材料可以提供非常高的比吸能(Specific Energy Absorption，SEA)[3-4]，即復(fù)合材料吸收的能量與結(jié)構(gòu)重量之比。近年有復(fù)合材料薄壁管截面形狀對(duì)碰撞吸能影響的研究，如方形管[5]，圓形管件[6-7]，從能量吸收能力的角度來(lái)看，發(fā)現(xiàn)在軸向壓縮時(shí)圓形管是最好的構(gòu)件。因此圓形管件是能量吸收系統(tǒng)中最常用的組件[8]。

復(fù)合材料管材的破壞形式對(duì)提高材料利用率有很大影響。Johnson等[9-11]研究了管材翻轉(zhuǎn)的特性，管的翻轉(zhuǎn)受限于模具半徑。如果模具半徑太小，將使管發(fā)生漸進(jìn)屈曲，如果半徑大于一些限制值，管將會(huì)破裂開(kāi)。

復(fù)合材料已經(jīng)較為廣泛使用在飛機(jī)機(jī)身下部防撞結(jié)構(gòu)[12]、直升機(jī)防撞座椅[13]、車(chē)輛防撞梁等結(jié)構(gòu)上。如前所述，復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)在于吸收的能量與結(jié)構(gòu)重量之比(稱為比吸能，即SEA)大，因此在吸能相同的情況下，結(jié)構(gòu)重量更輕。在復(fù)合材料自身性能不斷提升的同時(shí)，近年有研究人員在進(jìn)行破壞引發(fā)機(jī)制方面[14]的研究，從另一個(gè)角度來(lái)提升復(fù)合材料吸能器的吸能性能。Heimbs等[15]提出了一種通過(guò)接頭將復(fù)合材料切割若干細(xì)條，使復(fù)合材料產(chǎn)生較為復(fù)雜的破壞形式來(lái)吸能的方案，但這種方案在實(shí)施過(guò)程中撕裂條是向套筒外擴(kuò)張的，向四周展開(kāi)并環(huán)繞在套周?chē)?，?duì)附近結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大干擾和影響，而且碳纖維管撕裂破碎后會(huì)產(chǎn)生大量碎屑和細(xì)小纖維，對(duì)周?chē)h(huán)境也會(huì)產(chǎn)生不利的影響。Siromani等[16]也研究復(fù)合材料受軸向沖擊時(shí)內(nèi)翻破壞式引發(fā)機(jī)制對(duì)材料比吸能的影響，但在沖擊過(guò)程中管材沿軸向裂開(kāi)而不是逐漸壓潰，說(shuō)明破壞引發(fā)機(jī)制存在一定不穩(wěn)定性。所以在吸能結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，仍存在較大的改進(jìn)空間。

本文提出了一種新型內(nèi)翻式復(fù)合材料吸能器，進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，表明吸能器在有效減小初始峰值載荷的同時(shí)能夠增加材料的比吸能。

1 吸能器設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本文提出的吸能器結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由平壓連接帽、復(fù)合材料管以及壓潰帽組成。壓潰帽以及平壓連接帽由金屬材料制成，可通過(guò)銷釘與復(fù)合材料管連接。

1-耳片；2-平壓連接帽；3-復(fù)合材料管；4-銷釘孔；5-壓潰帽圖1 吸能器外形圖以及結(jié)構(gòu)分解圖Fig.1 Outline drawing and exploded picture of absorber

平壓連接帽內(nèi)端面是平面，與復(fù)合材料管端面是面-面接觸，沖擊時(shí)該面的復(fù)合材料管不易發(fā)生損傷。壓潰帽內(nèi)部有破壞觸發(fā)倒角和內(nèi)翻引導(dǎo)曲面。試驗(yàn)中使用的所有復(fù)合材料管皆為市場(chǎng)上成品，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了切割，端面未作任何特殊處理。圖2展示了復(fù)合材料管受到軸向沖擊的復(fù)合材料管端面逐漸向內(nèi)翻轉(zhuǎn)破壞的動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)吸能器受到軸向沖擊時(shí),復(fù)合材料管將會(huì)擠壓壓潰帽，在銷釘作用失效之后，管材沖向壓潰帽底部，然后受到內(nèi)翻圓弧的作用，管壁開(kāi)始翻轉(zhuǎn)并逐漸向管材內(nèi)腔運(yùn)動(dòng)。在這一過(guò)程中，復(fù)合材料管發(fā)生分層，以及纖維斷裂等形式的破壞，當(dāng)管材破壞的長(zhǎng)度等于剩余的長(zhǎng)度時(shí)，內(nèi)翻材料管會(huì)接觸到平壓連接帽，吸能器承載能力進(jìn)一步提升，隨著沖擊過(guò)程的進(jìn)一步進(jìn)行，復(fù)合材料管破壞所產(chǎn)生的碎屑逐漸填滿支撐管內(nèi)腔，整個(gè)過(guò)程都不會(huì)有碎屑溢出。

1-復(fù)合材料管；2-壓潰帽；3-已經(jīng)內(nèi)翻破壞的復(fù)合材料管；4-觸發(fā)倒角；5-內(nèi)翻曲面圖2 工作原理示意圖(正在發(fā)生破壞)Fig.2 Working patterns of the energy absorber

平壓帽和壓潰帽兩端與結(jié)構(gòu)連接，在正常狀態(tài)下可以作為結(jié)構(gòu)件使用，承受結(jié)構(gòu)使用載荷，在結(jié)構(gòu)受到撞擊時(shí)承受沖擊載荷。當(dāng)連接帽與結(jié)構(gòu)鉸連接時(shí)，吸能器是二力桿結(jié)構(gòu)，不會(huì)受到彎矩，因此沖擊過(guò)程中復(fù)合材料管不易折斷，且復(fù)合材料管始終由連接帽固定，整體保持完整，持續(xù)地輸出支反力。

1.2 吸能過(guò)程分析

為了指導(dǎo)吸能器性能設(shè)計(jì)，有必要建立其吸能分析方法。軸向受載時(shí)，吸能器位移與力的關(guān)系曲線如圖3所示，階段I中，復(fù)合材料管發(fā)生損傷，并開(kāi)始內(nèi)翻，在載荷達(dá)到F1時(shí)開(kāi)始管材發(fā)生分層、基體的碎裂、纖維的斷裂；階段II中，復(fù)合材料管持續(xù)向內(nèi)翻轉(zhuǎn)壓潰，此階段平均力承載力大小為F2，隨后內(nèi)翻管材逐漸觸及到平壓帽，復(fù)合材料碎屑逐漸填滿管材內(nèi)腔，在階段III支反力會(huì)繼續(xù)上升。階段II中吸能所占比例最大，包括F1對(duì)應(yīng)的破壞能量、復(fù)合材料沿曲面的彎曲及對(duì)應(yīng)的摩擦耗能等。

圖3 載荷位移圖Fig.3 Crush force-displacement curve

2 吸能器性能試驗(yàn)

2.1 吸能器材料

本文中只研究這種吸能器設(shè)計(jì)原理和分析方法，并未進(jìn)行復(fù)合材料的選材研究，因此復(fù)合材料管為市場(chǎng)上的成品，而非定制材料，所以不考慮鋪層方式的優(yōu)化。復(fù)合材料管由T300碳纖維單向帶制成，鋪層方式為0°與90°單向帶交替鋪層。測(cè)量得到復(fù)合材料密度為1.53×103kg/m3,管的外徑為30 mm，壁厚為t，有1.5 mm和2.0 mm兩種，對(duì)應(yīng)的單向帶層數(shù)分別為8層和12層。每根管長(zhǎng)度為120 mm，用于靜壓和沖擊試驗(yàn)。為了計(jì)算SEA值，每根切割好之后的復(fù)合材料管都做了稱重處理。

為了便于進(jìn)行靜壓和沖擊試驗(yàn)，連接帽上原本是耳片的位置改為平的端面。連接帽的材料為鋼材，而在應(yīng)用中為了降低重量，應(yīng)選用鋁合金等較輕的材料。為了研究翻轉(zhuǎn)曲面對(duì)吸能的影響，制造了三種不同曲率半徑的壓潰帽,觸發(fā)倒角半徑都為3 mm，而內(nèi)翻曲面曲率半徑R分別為12 mm，7 mm和5 mm。

2.2 靜壓試驗(yàn)

軸向靜壓試驗(yàn)通過(guò)一臺(tái)MTS的電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，其最大加載載荷100 kN，試件安裝方式如圖4所示。每次靜壓試驗(yàn)中加載速率均設(shè)置為2 mm/min(有些數(shù)據(jù)是10 mm/min，2 mm太低),行程設(shè)為50 mm以上,保證管材盡可能多的內(nèi)翻破壞，復(fù)合材料碎屑能填滿管材內(nèi)腔，吸能器承載能力出現(xiàn)上升階段。

圖4 靜壓試驗(yàn)裝置Fig.4 Static test equipment

2.3 沖擊試驗(yàn)

吸能器軸向沖擊試驗(yàn)主要通過(guò)圖5中的落錘裝置進(jìn)行。落錘重量為62.9 kg, 可通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)拉起至2 m的高度，并通過(guò)快速釋放鉤釋放落錘。吸能器底部設(shè)有力傳感器，放置于落錘底部的中心位置。在落錘與吸能器撞擊的部位設(shè)置有光電傳感器用來(lái)測(cè)量落錘撞擊前的速度,落錘上設(shè)有擋片，當(dāng)落錘上的擋片劃過(guò)光電傳感器時(shí)，遮擋產(chǎn)生的電信號(hào)會(huì)被數(shù)據(jù)采集器記錄下來(lái)，然后通過(guò)測(cè)量擋片的寬度和電信號(hào)的觸發(fā)時(shí)間間隔，即可計(jì)算出沖擊速度。

圖5 進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置Fig.5 Impact test equipment

為了計(jì)算沖擊過(guò)程中的能量吸收，通過(guò)沖擊力計(jì)算落錘的加速度，進(jìn)而計(jì)算其速度和位移，通過(guò)式(1)計(jì)算能量的吸收。

(1)

式中：v0為撞擊速度；m為落錘質(zhì)量；g為重力加速度；v(t)和x(t)則為速度與位移分別是時(shí)間t的函數(shù)。

各沖擊試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，H為沖擊試驗(yàn)的落錘高度，V為測(cè)量得到的落重沖擊開(kāi)始時(shí)的速度。

表1 各個(gè)沖擊試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters for impact test

3 試驗(yàn)結(jié)果以及討論

3.1 壓潰形態(tài)

將靜態(tài)壓潰后的復(fù)合材料管剖開(kāi)，如圖6所示，可以觀察到內(nèi)翻的復(fù)合材料管分層非常充分，但產(chǎn)生的材料碎片較少。圖7展示了復(fù)合材料管在經(jīng)過(guò)沖擊后，接觸壓潰帽端部破壞后的形態(tài)，可看到復(fù)合材料基體的碎裂。沖擊試驗(yàn)后復(fù)合材料的剖面如圖8所示，含有較多不連續(xù)材料碎片，這些碎片壓潰不充分，因此在動(dòng)態(tài)載荷下吸收的能量偏低。

圖6 靜壓后復(fù)合材料管的剖視圖(t=2.0 mm)Fig.6 Cross sectional views of crushed tubes under static test(t=2.0 mm)

圖7 復(fù)合材料管接觸壓潰帽端破壞后的形態(tài)(t=1.5 mm)Fig.7 Morphology of composite tube contacting the crushing cap (t=1.5 mm)

圖8 沖擊壓潰后復(fù)合材料管的剖視圖(t=1.5 mm)Fig.8 Cross-sectional views of crushed tubes under dynamic condition(t=1.5 mm)

3.2 結(jié)果分析

為了對(duì)比分析使用這種連接帽對(duì)吸能特性的影響，還進(jìn)行了無(wú)連接帽情況下復(fù)合材料管的靜壓和沖擊試驗(yàn)。靜力作用下的位移-載荷對(duì)比如圖9所示。可見(jiàn)，無(wú)壓潰帽的情況下，復(fù)合材料管開(kāi)始?jí)簼r(shí)的載荷較高，隨后降低；而有壓潰帽的情況下，載荷比較平穩(wěn)，而且載荷值較高，意味著吸能較大。在加載后半段隨著碎屑逐漸塞滿復(fù)合材料管內(nèi)腔，承載能力進(jìn)一步提升。

圖9 復(fù)合材料管受靜壓時(shí)使用壓潰帽與不使用情況下力與位移關(guān)系圖(R=7 mm)Fig.9 Force-displacement under static with cap and without cap(R=7 mm)

觸發(fā)載荷是吸能器的最大允許載荷，為了吸收更多的能量，會(huì)盡量讓載荷維持在最大允許載荷。這也是本吸能器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在減小初始沖擊載荷的情況下，使平穩(wěn)壓潰階段的峰值力盡可能保持在最大允許載荷，吸收更多沖擊能量，提高復(fù)合材料管整體的比吸能。

圖10展示了完整的沖擊力時(shí)程，包含了后半段中因碎屑填滿內(nèi)腔而使支撐力進(jìn)一步上升的階段。沖擊載荷下壓潰帽對(duì)輸出力的影響如圖11所示，為了對(duì)比，只顯示了沖擊開(kāi)始到平穩(wěn)階段的接觸力?？梢?jiàn)未使用壓潰套筒時(shí)，即兩端都是平面的受載情況下，在壓潰的開(kāi)始階段，單獨(dú)的復(fù)合材料管試驗(yàn)所得的沖擊載荷很高，這對(duì)沖擊加速度的減緩不利，使用了壓潰帽后，初始峰值不會(huì)大大超過(guò)平穩(wěn)階段的反饋力，而隨后整個(gè)壓潰過(guò)程的沖擊力也十分平穩(wěn)。

在準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下，使用具有不同曲率半徑壓潰帽的試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，各曲線變化趨勢(shì)相似，較薄的管空腔不易填滿，所以后段載荷上升不明顯。管壁厚度相同時(shí)，發(fā)生初始破壞時(shí)的F1值基本相同，這是由于觸發(fā)倒角都相同。而翻轉(zhuǎn)曲面的曲率導(dǎo)致了F2的不同。材料與曲面貼合時(shí)受到的彎曲力矩與曲率成正比，而摩擦力、應(yīng)變能都與曲率半徑有關(guān)，因此相同厚度時(shí)吸能效率隨著曲率半徑的變小而顯著提升。但由于破壞后材料的屬性是未知的，彎曲力矩也無(wú)法確定，不易進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

圖10 沖擊載荷下完整接觸力曲線Fig.10 Force-time under dynamic until the debris fill the tube

(a)R=5 mm (b)R=5 mm圖11 復(fù)合材料管受沖擊時(shí)使用壓潰帽與不使用情況下力與時(shí)間關(guān)系圖Fig.11 Force-time under dynamic with cap and without cap

圖12 受靜載時(shí)不同內(nèi)翻半徑對(duì)吸能器的影響Fig.12 Force-displacement under static condition using different radius of cap

沖擊試驗(yàn)得到的時(shí)間-載荷曲線如圖13所示，由沖擊載荷計(jì)算出落錘的加速度，通過(guò)積分得出壓潰位移和接觸力的曲線如圖14所示，進(jìn)而得到的能量曲線如圖15所示?？梢钥闯?，在受到?jīng)_擊作用時(shí)，壓潰帽的內(nèi)翻半徑對(duì)能量吸收有較明顯的影響，翻轉(zhuǎn)半徑越小，能量吸收越多。其中1.5 mm管使用5 mm曲率半徑的壓潰帽吸能值超過(guò)了2 mm管使用12 mm曲率半徑壓潰帽的值，這也說(shuō)明了通過(guò)壓潰帽可以進(jìn)行吸能值的調(diào)節(jié)，可應(yīng)用于有變載荷吸能需求的領(lǐng)域。

(a)t=1.5 mm (b)t=2.0 mm圖13 受沖擊時(shí)不同內(nèi)翻半徑對(duì)吸能器的影響Fig.13 Force-time under dynamic condition using different radius of cap

(a)t=1.5 mm (b)t=2.0 mm圖14 受沖擊時(shí)不同內(nèi)翻半徑下吸能器力與位移曲線Fig.14 Force-displacement under dynamic condition using different radius of cap

圖15 受沖擊時(shí)不同曲率半徑下吸收能量曲線Fig.15 Energy-time under dynamic condition using different radius of cap

根據(jù)試驗(yàn)中在載荷平穩(wěn)階段壓潰的復(fù)合材料管的長(zhǎng)度，利用式(2)計(jì)算SEA值

(2)

式中：EC為載荷平穩(wěn)階段壓潰的復(fù)合材料管所吸收的能量；LC為載荷平穩(wěn)階段壓潰的復(fù)合材料管被壓潰破壞的長(zhǎng)度；M0為長(zhǎng)度為12 cm的復(fù)合材料管的重量，即標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的重量；L0表示標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的長(zhǎng)度，即12 cm。

靜壓試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示，沖擊的結(jié)果如表3所示?？梢?jiàn)，靜壓下，2 mm厚管使用壓潰帽的SEA值高于管單獨(dú)試驗(yàn)的SEA值，1.5 mm厚的管使用翻轉(zhuǎn)半徑為12 mm壓潰帽時(shí)，SEA值低于管單獨(dú)試驗(yàn)的SEA值；而沖擊載荷下只有使用5 mm翻轉(zhuǎn)半徑的壓潰帽時(shí)，SEA值才高于管單獨(dú)試驗(yàn)的值。

表2 靜壓試驗(yàn)SEA對(duì)比Tab.2 SEA for the static tests J/g

表3 沖擊試驗(yàn)SEA對(duì)比Tab.3 SEA for impact tests J/g

4 結(jié) 論

本文提出了一種利用復(fù)合材料管內(nèi)翻破壞式新型抗沖擊吸能器，開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)能量吸收過(guò)程進(jìn)行了探究，從試驗(yàn)方面研究了壓潰帽曲率半徑對(duì)吸能的影響。研究結(jié)果總結(jié)如下：

(1)該吸能器有著較高的能量吸收效率，適用于輕型抗沖擊裝置，在有效減小初始沖擊載荷峰值的情形下，仍然能提高比吸能。

(2)該吸能器可作為二力桿用于結(jié)構(gòu)中，因此受載時(shí)不易折斷，在壓潰過(guò)程中結(jié)構(gòu)保持完整，破壞的復(fù)合材料管碎屑全部集中于管材內(nèi)腔，不會(huì)溢出對(duì)周邊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。當(dāng)沖擊過(guò)程發(fā)展到第二階段時(shí)，由于材料碎屑填滿管材內(nèi)腔，吸能器的承載能力進(jìn)一步提升。

(3)在靜壓載荷下，初始階段的破壞吸收的能量基本不受翻轉(zhuǎn)半徑影響，只與觸發(fā)倒角有關(guān)，而沿翻轉(zhuǎn)曲面運(yùn)動(dòng)所消耗的能量與曲率半徑有關(guān)，隨著曲率半徑的減小，吸能值顯著提高。

(4)吸能器在靜壓條件下比動(dòng)載荷沖擊下承載能力要高，吸能效率更顯著。觀察復(fù)合材料試件壓潰后的形態(tài)可推測(cè)，主要原因在于沖擊短時(shí)間作用材料產(chǎn)生大量未完全分層及碎裂的材料碎片，降低了材料的利用率。

吸能器中材料破壞過(guò)程是非常復(fù)雜的，本文只進(jìn)行了少量試驗(yàn)研究，如何通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化來(lái)提高吸能器的吸能表現(xiàn)，并通過(guò)準(zhǔn)確的理論計(jì)算方法進(jìn)行預(yù)測(cè)不同內(nèi)翻半徑下的吸能情況，將是之后工作的重點(diǎn)。