姜興洪

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

1 簡(jiǎn) 介

玄武巖纖維是一種新型高性能無(wú)機(jī)纖維，性能穩(wěn)定，具有良好的力學(xué)性能和環(huán)保特性。玄武巖纖維在橋梁、道路以及工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用逐年增多，同時(shí)在國(guó)防等領(lǐng)域也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

不過(guò)，宣姝姝指出，現(xiàn)階段醫(yī)院依然需要保留集中預(yù)約的平臺(tái)，畢竟有的患者還是會(huì)選擇現(xiàn)場(chǎng)預(yù)約；同時(shí)，預(yù)約中心還承擔(dān)著咨詢(xún)和宣教工作。

2.1.1 課外活動(dòng)參與度不均衡，組織活動(dòng)質(zhì)量有待提升 問(wèn)卷表明，工程學(xué)院學(xué)生的課外活動(dòng)平均時(shí)間不算多，相對(duì)而言，大二、大四學(xué)生平均課外活動(dòng)時(shí)間更少些。絕大多數(shù)在校生都參加了校內(nèi)的各種社團(tuán)，并且參與目的明確，態(tài)度積極端正。其中，大三學(xué)生參團(tuán)的平均個(gè)數(shù)最多，大四學(xué)生參團(tuán)人均數(shù)最低。大一至大三學(xué)生對(duì)社團(tuán)活動(dòng)的滿(mǎn)意度約為60%，高于大四學(xué)生。在各類(lèi)型課外活動(dòng)的偏好方面，學(xué)生最喜歡參加的是“體育類(lèi)”和“文藝類(lèi)”，最不感興趣的是“學(xué)術(shù)講座類(lèi)”，大部分學(xué)生對(duì)真人秀娛樂(lè)節(jié)目更感興趣。

近年來(lái)，肖靖航[1]通過(guò)低速?zèng)_擊試驗(yàn)隊(duì)玄武巖纖維復(fù)材層合板進(jìn)行研究，對(duì)沖擊后層合板的損傷形態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)論述，林大路[2]對(duì)玄武巖纖維層合板抗侵徹性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究，初步認(rèn)識(shí)了玄武巖纖維層合板的靜力學(xué)和抗侵徹能力的特點(diǎn)。魏俊[3]等結(jié)合傳感器技術(shù)得到了沖擊載荷和沖擊點(diǎn)位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。宋恒旭[4]運(yùn)用ABAQUS將復(fù)合材料損傷準(zhǔn)則及損傷后的材料演化規(guī)律引入到有限元計(jì)算中，模擬了復(fù)合材料層合板在低速?zèng)_擊下的損傷，驗(yàn)證了計(jì)算模型和損傷準(zhǔn)則的正確性。

在已有的研究中，復(fù)合材料層合板沖擊研究多考慮材料損傷和沖擊后的剩余強(qiáng)度以及有限元模擬分析，對(duì)于玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板在低速?zèng)_擊下最大接觸力與沖擊能量的關(guān)系研究較少，并進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證最大接觸力與沖擊能量的關(guān)系較少。本文基于能量分布法通過(guò)低速?zèng)_擊試驗(yàn)確定侵徹和擊穿閾值能量，并結(jié)合有限元分析軟件對(duì)比分析。

2 試驗(yàn)與仿真分析

2.1 低速?zèng)_擊試驗(yàn)

利用有限元軟件ABAQUS對(duì)BFRP層合板低速?zèng)_擊過(guò)程進(jìn)行仿真分析。由于該試驗(yàn)的復(fù)合材料板的寬厚比接近于100，屬于薄壁殼體結(jié)構(gòu)，使用Continuum Shell單元來(lái)模擬建模，層合板采用SC8R單元類(lèi)型，共計(jì)181 656個(gè)節(jié)點(diǎn)，88 752個(gè)單元，沖頭采用R3D4單元類(lèi)型，共計(jì)2 107個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 033個(gè)單元。所建模型尺寸和鋪層方式與試驗(yàn)保持一致。分析時(shí)，認(rèn)為沖頭為剛體，不發(fā)生形變，沖頭直徑為10 mm，層合板與沖頭間的接觸屬性定義為通用接觸屬性，外邊界采用鉸支約束，有限元模型見(jiàn)圖1。

日本受?chē)?guó)土資源的限制，農(nóng)業(yè)耕地資源相對(duì)較少，因此農(nóng)產(chǎn)品更多依賴(lài)進(jìn)口。1984年開(kāi)始，日本成為世界上最大的食品進(jìn)口國(guó)，國(guó)民所食用的食物超過(guò)60%都來(lái)自進(jìn)口。在此種背景之下，日本政府對(duì)自身國(guó)家的農(nóng)業(yè)發(fā)展給予了較高的支持。隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，日本的農(nóng)業(yè)保護(hù)水平不斷提升[8]。2012-2014年，日本的農(nóng)業(yè)支持量達(dá)到年均535.5億美元，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)總收入的52.3%。

2.2 仿真分析

試驗(yàn)所用材料為四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司提供的玄武巖纖維產(chǎn)品。試驗(yàn)件由玄武巖纖維BWR300-100方格布與邁圖R035C/H037環(huán)氧樹(shù)脂在23 ℃下固化壓制24 h后的復(fù)合材料層合板。復(fù)合材料層合板鋪層順序?yàn)? °和90 °交叉鋪層，尺寸為100 mm×100 mm，平均厚度為0.9 mm。層合板纖維質(zhì)量含量為68.6 %。

3 結(jié)果與討論

3.1 材料損傷分析

復(fù)合材料的沖擊損傷分析由于其組件在測(cè)試過(guò)程中的不同行為而非常復(fù)雜。在沖擊試驗(yàn)期間，沖擊響應(yīng)有三種類(lèi)型，包括回彈、侵徹和擊穿。當(dāng)沖頭的能量不足以滲透到層合板纖維中時(shí)，發(fā)生回彈響應(yīng)，在這個(gè)過(guò)程中，沖頭在與層合板表面接觸時(shí)給層合板傳遞一些能量并對(duì)其造成損壞。這種現(xiàn)象降低了沖頭的能量和速度，最后，沖頭的速度在接觸后變?yōu)榱悴⑶移溥\(yùn)動(dòng)方向改變。當(dāng)沖頭的能量增加時(shí)，它可能在表面接觸后滲透到層合板內(nèi)部，或者沖頭突然卡在層合板中，發(fā)生侵徹響應(yīng)。在擊穿響應(yīng)過(guò)程中，沖頭的能量足以侵徹，并且足以對(duì)層合板進(jìn)行擊穿。

對(duì)比圖2中沖擊模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)得到的最大接觸力比模型計(jì)算的最大接觸力稍小，這是由于實(shí)際試驗(yàn)中材料性能相對(duì)理論值偏小?？傮w來(lái)看，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果的沖擊力-時(shí)間曲線(xiàn)變化趨勢(shì)一致，均在上升部分快速增加，峰值后迅速下降，出現(xiàn)曲線(xiàn)平臺(tái)，并在下降部分出現(xiàn)曲線(xiàn)震蕩，隨后繼續(xù)下降直至結(jié)束，并且值得注意的是，隨著沖擊能量的增加，震蕩幅度增加。

試驗(yàn)使用 INSTRON CEAST 9350沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)，該儀器能夠使用能記錄時(shí)間與接觸力、吸收能量、撓度和沖擊速度的軟件進(jìn)行多次不同沖擊能量的實(shí)驗(yàn)，并且使用傳感器系統(tǒng)將力數(shù)據(jù)傳輸?shù)较嚓P(guān)軟件。樣品夾具孔直徑為30 mm，沖頭為半球形狀，直徑20 mm，質(zhì)量5.5 kg。分別采用2.75 J、6.20 J、11 J、17.2 J、24.75 J五種不同的能量進(jìn)行低速?zèng)_擊測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)記錄沖擊力-時(shí)間曲線(xiàn)。

(a) 2.75 J

(b) 6.19 J

(c) 11.00 J

(d) 17.20 J

(e) 24.75 J圖2 沖擊力-時(shí)間曲線(xiàn)

不同沖擊能量下的沖擊力-時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。曲線(xiàn)包含兩個(gè)部分，上升和下降。上升部分是沖擊加載過(guò)程，下降部分是圖表中最重要的部分，它顯示了材料的沖擊響應(yīng)。對(duì)于回彈響應(yīng)，下降部分曲線(xiàn)較平順，曲線(xiàn)振動(dòng)較小，沖擊能量越小，曲線(xiàn)越平滑，對(duì)于侵徹響應(yīng)和擊穿響應(yīng)，曲線(xiàn)在下降部分發(fā)生劇烈震蕩，層壓板纖維發(fā)生斷裂所致。圖2(a)的2.75 J的沖擊能量不足以進(jìn)行侵徹，沖頭發(fā)生回彈，曲線(xiàn)具有對(duì)稱(chēng)性，加載時(shí)間等于卸載時(shí)間，在這種情況下，持續(xù)時(shí)間圍繞峰值接觸力對(duì)稱(chēng)。結(jié)合圖2和圖3分析可得，對(duì)于BFRP復(fù)合材料，在能量值小于6.19 J的沖擊試驗(yàn)中發(fā)生回彈。當(dāng)沖擊能量增加超過(guò)11 J時(shí)發(fā)生侵徹。因此，11 J是BFRP的侵徹閾值能量。當(dāng)沖擊能量增加到24.75 J，在BFRP中發(fā)生擊穿。對(duì)于發(fā)生侵徹或擊穿的高能量沖擊曲線(xiàn)，加載時(shí)間短于卸載時(shí)間。

(a) 2.75J

(b) 6.19J

(c) 11.00J

(d) 24.75J圖3 沖擊后的層合板

3.2 損傷形態(tài)

BFRP層合板在不同沖擊能量下的受損表面如圖3所示。低速?zèng)_擊試驗(yàn)中可能出現(xiàn)不同類(lèi)型的失效模式，如微裂紋形成、剝離、界面分層、纖維拉出、纖維斷裂和纖維橋接。纖維拉出被認(rèn)為是BFRP的主要損傷模式，因?yàn)樾鋷r纖維與環(huán)氧基質(zhì)的粘附力弱?；旧?，損壞模式取決于沖頭的沖擊參數(shù)和復(fù)合材料的機(jī)械性能。

長(zhǎng)期以來(lái)，SEC儲(chǔ)量評(píng)估工作一般由集團(tuán)公司和油田分公司兩級(jí)負(fù)責(zé)，采油廠(chǎng)只是參與。SEC儲(chǔ)量評(píng)估由總部負(fù)責(zé)組織、協(xié)調(diào)、對(duì)外披露、技術(shù)培訓(xùn)、考核等工作；油田分公司負(fù)責(zé)具體承擔(dān)預(yù)評(píng)估、與外方評(píng)估師具體對(duì)接、按照評(píng)估期限和評(píng)估單元進(jìn)行具體評(píng)估與分析、相關(guān)課題研究等工作，還要完成被考核的任務(wù)指標(biāo)。采油廠(chǎng)除了提供必要的基礎(chǔ)資料外，暫時(shí)還沒(méi)有承擔(dān)相關(guān)指標(biāo)任務(wù)、參加更多的儲(chǔ)量評(píng)估工作。

對(duì)于BFRP層壓板，在2.75 J的較低能量下不能清楚地看到?jīng)_擊損傷，如圖3(a)。對(duì)于低能量沖擊，層合板主要的破壞模式是分層和基體裂縫而不是纖維斷裂。然而，對(duì)于較高的沖擊能量，纖維與基體之間的分裂和纖維斷裂是沖擊點(diǎn)周?chē)闹饕獡p傷模式。對(duì)于24.75 J的較高能量的BFRP層合板，層壓板在樣品的后表面處開(kāi)裂。

4 結(jié)論

對(duì)五種不同能量下的玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)表明，隨著沖擊能量的增大，沖擊響應(yīng)有三種類(lèi)型，包括回彈，侵徹和擊穿，接觸力-時(shí)間存在峰值拐點(diǎn)，并且峰后曲線(xiàn)在沖擊能量大于6.19 J后出現(xiàn)明顯震蕩階段。11 J是BFRP的侵徹閾值能量，24.75 J是BFRP的擊穿閾值能量。