羅 超， 曹海建， 黃曉梅

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

三維夾芯復(fù)合材料是新型的三明治夾芯結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的層合材料相比，其具有整體性好、高強高模、質(zhì)輕耐撞等優(yōu)異的性能，在飛機、高鐵、船舶等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[1]。材料在應(yīng)用過程中或多或少會受到外部載荷作用，如拉伸、壓縮、彎曲和沖擊載荷等[2]。其中，低速沖擊載荷是較常見同時也是安全隱患較大的外部載荷，會在材料表面和內(nèi)部留下可視或不可視的損傷，使得材料性能下降，甚至?xí)κ褂谜叩纳踩珮?gòu)成威脅[3]，因此，對材料抗低速沖擊性能的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

針對這一問題，國內(nèi)外許多專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Lascoup等[4]對玻璃纖維面板泡沫夾層縫合結(jié)構(gòu)的抗損傷性能進(jìn)行研究，探討分析了初始損傷時最大載荷、穿透深度、沖擊過程中吸收的總能量和沖擊損傷直徑等參數(shù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)縫合線的存在對材料抗沖擊性能有著顯著的提升。Vaidya等[5]研究了聚氨酯泡沫填充三維間隔織物復(fù)合材料的低速沖擊響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)未填充的材料主要破壞模式是芯材屈曲和面板破裂；泡沫填充的試樣主要破壞模式是泡沫芯層破碎與芯柱破壞，其中泡沫填充材料低速沖擊性能更好。曹海建等[6]選取不同芯層高度的復(fù)合材料進(jìn)行低速沖擊實驗,同時研究鋁蒙皮對材料性能的影響發(fā)現(xiàn)，低速沖擊過程中的初始損傷能量可用來表征材料的破壞程度，鋁蒙皮有利于增強材料的抗沖擊性能。

本文借助ANSYS有限元軟件，重點研究不同芯材高度的材料在5 J能量下的抗低速沖擊性能，同時拆解分析材料各組分損傷的程度，細(xì)化探討材料的抗低速沖擊性能，結(jié)合實際試驗結(jié)果為其優(yōu)化和應(yīng)用提供理論參考。

1 低速沖擊模擬

1.1 材料簡介

三維夾芯復(fù)合材料是由三維夾芯織物與樹脂基體復(fù)合而成，復(fù)合材料纖維體積含量控制在45%～50%。其中，三維夾芯織物由玻璃纖維通過機織的方法整體織造成形，由上下面板織物與“8”字形芯材組成，其中上下面板基礎(chǔ)組織為平紋，芯材處的接結(jié)紗線連接上下面板，使其構(gòu)成一個整體。材料實物圖如圖1所示。

圖1 三維夾芯織物及其復(fù)合材料Fig.1 Three-dimensional sandwich fabrics (a) and its composites (b)

三維夾芯織物：由線密度為200 tex的玻璃纖維束織造，織物芯材高度為5、10 mm，芯材間距為 5 mm，南京玻璃纖維研究設(shè)計院提供。

樹脂基體：環(huán)氧樹脂E51、固化劑H023，無錫錢廣化工原料公司提供。

1.2 模型構(gòu)建

為降低模擬計算工作量，本文對材料的組成結(jié)構(gòu)部分做出如下假設(shè)：1)纖維均為條干均勻的連續(xù)長絲且截面為跑道型；2)材料復(fù)合成型無瑕疵，樹脂分布均勻。

依據(jù)上述假設(shè)，借助Pro/E軟件繪制材料模型，包括織物模型、樹脂模型以及二者裝配生成復(fù)合材料模型，如圖2所示。

圖2 芯材高度為5 mm材料結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Material structure model with core height of 5 mm. (a) Fabric structure model;(b) Resin structure model;(c) Composite material structural model

1.3 施加載荷

對模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置如表1所示，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在模型底面添加固定約束Fixed Support，在模型對稱面設(shè)置Frictionless support，然后對沖擊頭施加2 m/s的初速度，方向為垂直材料上表面豎直向下，進(jìn)行模擬計算[7-8]。

同時，為提升計算模擬速度，根據(jù)材料對稱性， 在有限元軟件中建立材料1/2有限元模型，如圖3所示。

表1 模型材料參數(shù)Tab.1 Model material parameters

圖3 2種芯材高度材料有限元模型Fig.3 Structure model of two core materials height

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 材料整體應(yīng)力

在低速沖擊載荷模擬下，2種材料的整體模型應(yīng)力云圖如圖4所示。

由圖4可知，受到低速沖擊時，芯材高度為 10 mm 材料的整體抗低速沖擊性能優(yōu)于5 mm材料。對于上面板，高度為5 mm材料最大應(yīng)力值為 119.49 MPa，而高度為10 mm的材料為205.32 MPa，

圖4 2種芯材高度整體材料應(yīng)力云圖Fig.4 Stress map of lower panel of whole model of two core material height. (a) Top panel of 5 mm; (b) Top panel of 10 mm; (c) Core material of 5 mm; (d) Core material of 10 mm; (e) Lower panel of 5 mm; (f) Lower panel of 10 mm

且芯材高度為10 mm材料的破壞面積大于5 mm的材料；對于芯材高度為5 mm材料最大應(yīng)力值為179.55 MPa，芯材高度為10 mm的材料為 126.10 MPa，其中芯材彎曲處破壞最嚴(yán)重；對于下面板， 2種材料下面板都基本完好，有輕微的破壞，芯材高度為5 mm材料最大應(yīng)力值為85.11 MPa，芯材高度為10 mm材料為68.14 MPa。材料模擬應(yīng)力值越大，即越接近材料破壞強度，因此破壞越嚴(yán)重，且應(yīng)力大于90 MPa的部分超出樹脂最大強度，因此，該部分樹脂碎裂，與纖維脫黏。綜上所述，2種材料的上面板沖擊點處都受到嚴(yán)重破壞，且芯材高度為10 mm材料的上面板損傷面積較5 mm材料更大；但是在芯材和下面板處芯材高度為5 mm材料受到?jīng)_擊破壞更加嚴(yán)重，即低速沖擊載荷對高度為5 mm材料內(nèi)部及下面板影響更大，因此，其整體抗低速沖擊性能較差。

同時在實際實驗中，分別制備芯材高度為5、10 mm材料的試樣，采用實驗室自制雙軌道落錘式低速沖擊儀進(jìn)行5 J能量下的低速沖擊實驗。低速沖擊裝置裝配加速度傳感器和信號處理系統(tǒng)，每種試樣測試5次，取平均值。

2種材料在5 J低速沖擊能量下的破壞形貌如圖5所示?？芍?種材料上面板沖擊處均受到破壞，其中芯材高度為5 mm的材料上表面處沖擊破壞直徑為1.86 cm，略小于10 mm的材料；但是其芯材處破壞比較嚴(yán)重，沖擊損傷更深，且對下面板影響也更大，相對于芯材高度為10 mm材料上面板損傷較大，芯材破壞對材料性能影響更加嚴(yán)重，因此，芯材高度為5 mm的材料抗低速沖擊性能比10 mm的差。

圖5 2種材料低速沖擊后損傷形貌Fig.5 Surface topography of two kinds of materials after low velocity impact. (a) Upper surface topography of 5 mm; (b) Upper surface topography of 10 mm;(c) Lower surface topography of 5 mm; (d) Lower surface topography of 10 mm; (e) Core material topography of 5 mm; (f) Core material topography of 10 mm；(g) Morphology of local damage of material core；(h) Topography of local surface damage on materials

2種材料的低速沖擊響應(yīng)如圖6所示?？芍?，2種芯材高度的材料沖擊載荷的變化趨勢相同。隨著時間的增加，沖擊載荷線性增加達(dá)到最大值，隨后迅速降低到某一數(shù)值處，接著繼續(xù)上下波動直至最后趨于0。隨著芯材高度的增加，最大沖擊載荷減小。芯材高度為5 mm材料沖擊載荷峰值為 1 280 N，芯材高度為10 mm的材料沖擊載荷峰值為1 100 N，即芯材高度為5 mm的材料損傷更加嚴(yán)重。由此可知，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果具有較好的一致性。

圖6 5 J能量下2種材料低速沖擊響應(yīng)Fig.6 Low speed impact response of two materials at 5 J energy

分析原因可能是：材料受到低速沖擊載荷時，沖擊頭撞擊到上面板，應(yīng)力波隨即沿著材料橫、縱向迅速向外擴(kuò)散，在應(yīng)力波的作用下，材料通過形變彎曲、樹脂碎裂與纖維斷裂等形式來吸收能量；當(dāng)芯材高度較小時，芯柱具有更迅速、充分的反應(yīng)能力通過彎曲形變來分散吸收傳遞更多的沖擊能量，從而降低材料撞擊處的沖擊應(yīng)力，因此，芯材彎曲處應(yīng)力值最大；但如果應(yīng)力很大超過了材料的承受范圍，反而導(dǎo)致材料芯材和上面板沖擊處都破壞很嚴(yán)重；當(dāng)材料芯材高度較大時，芯柱消耗吸收傳遞沖擊能量的反應(yīng)較慢，彎曲形變不明顯，因此，芯柱處應(yīng)力偏小，沖擊點處的沖擊應(yīng)力最大，使得上面板沖擊處破壞面積較大，但芯材破壞較小，所以整體的抗低速沖擊性能更加優(yōu)異[9-11]。

復(fù)合成型后的材料其內(nèi)部組分無法分離，在受到?jīng)_擊載荷時內(nèi)部的具體受力情況無法得知，因此，借助于模型分別分析材料各組分應(yīng)力與應(yīng)變值。

2.2 材料各組分應(yīng)力

圖7 2種材料各組分應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud of each component of two materials. (a) Resin model of 5 mm;(b) Resin model of 10 mm; (c) Connection yarn model of 5 mm; (d) Connection yarn model of 10 mm; (e) Warp model of 5 mm; (f) Warp model of 10 mm; (g) Weft model of 5 mm; (h) Weft model of 10 mm

材料各組分的應(yīng)力云圖如圖7所示。材料在受到低速沖擊時，纖維織物承擔(dān)主要載荷，而樹脂起次要作用。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，織物模型最大應(yīng)力數(shù)值與位置均與整體模型接近，而樹脂模型則與其差異較大。

通過分析對比圖7(c)、(d)中的信息可以發(fā)現(xiàn)，材料芯材處受到低速沖擊載荷更大。2種芯材高度的接結(jié)經(jīng)紗最大應(yīng)力均位于芯材彎曲處，且芯材高度為5 mm的接結(jié)經(jīng)紗最大應(yīng)力值大于10 mm的接結(jié)經(jīng)紗；由圖7(e)～(h)可知，2種材料的經(jīng)緯紗的最大應(yīng)力均位于沖擊點附近，芯材高度為 10 mm的材料的經(jīng)緯紗最大應(yīng)力值均大于芯材高度為5 mm的材料，即其上面板承受的低速沖擊載荷更大。

圖8 2種材料應(yīng)變云圖Fig.8 Strain cloud map of the two materials. (a) Overall model of 5 mm; (b) Overall model of 10 mm; (c) Resin model of 5 mm; (d) Resin model of 10 mm; (e) Fabric model of 5 mm; (f) Fabric model of 10 mm

綜合分析3種紗線的應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，位于沖擊點處的經(jīng)緯紗和接結(jié)經(jīng)紗及其下方彎曲處的應(yīng)力值都較大，沿著纖維軸向兩邊擴(kuò)散應(yīng)力逐漸減小，遠(yuǎn)離沖擊點處的部分幾乎沒有應(yīng)力。而這其中，接結(jié)經(jīng)紗遠(yuǎn)離沖擊點處的2處彎曲段依然有較大的應(yīng)力，而此處的經(jīng)紗與緯紗基本沒有應(yīng)力，這說明受到?jīng)_擊作用時，經(jīng)緯紗只在沖擊點附近起到承載作用，而接結(jié)經(jīng)紗的承載作用更廣更全面。這是因為接結(jié)經(jīng)紗是沿著受力方向排列的，加上其獨特的“8”字型結(jié)構(gòu)，在受到?jīng)_擊時起到重要的作用[12-15]。

2.3 材料應(yīng)變

材料整體與各組分的應(yīng)變云圖如圖8所示?？芍?，樹脂基體是材料形變的主要影響因素，纖維織物是次要影響因素。2種模型中樹脂最大應(yīng)變部位與數(shù)值都與整體應(yīng)變一致，而纖維織物則有所不同。其中芯材高度為5 mm的織物的最大應(yīng)變區(qū)域位于芯材彎曲處，而由于樹脂的最大應(yīng)變位置與其不同，這表明此部分樹脂與纖維之間已經(jīng)脫黏[14，16]。

由上述各組分應(yīng)力、應(yīng)變分析可知，復(fù)合材料受到低速沖擊時，樹脂主要是以形變的方式傳遞、消耗沖擊能量，而內(nèi)部纖維則為樹脂提供足夠的強度形變，二者相輔相成，當(dāng)沖擊載荷超過樹脂、纖維的承受范圍，則會出現(xiàn)樹脂的碎裂、纖維的斷裂、纖維與樹脂的脫黏等現(xiàn)象來消耗吸收沖擊能。

3 結(jié) 論

借助ANSYS有限元軟件，通過對2種不同芯材高度的復(fù)合材料的抗低速沖擊性能進(jìn)行模擬，得出以下結(jié)論。

1)從宏觀角度分析，三維夾芯復(fù)合材料抗低速沖擊性能隨著芯材高度的增加而增加，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有較好的一致性。

2)從微觀角度分析，材料中的經(jīng)紗、緯紗、結(jié)接經(jīng)紗是承載的主體，樹脂基體起次要作用。

3)在5 J能量沖擊作用下，材料的破壞模式主要是上面板沖擊點處的纖維斷裂、樹脂碎裂，芯材處樹脂碎裂、纖維與樹脂脫黏。

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