李汶蔚，梅 杰，黃 威

（1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能近年來得到了十分廣泛和深入的研究，涉及的載荷有接觸和非接觸式的空氣以及水下爆炸、高速破片侵徹和撞擊等，對(duì)于其工程應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板憑借其高比強(qiáng)度、高比模量以及較好的隱身吸波性能，在航空航天領(lǐng)域以及快速響應(yīng)艦船工業(yè)中已經(jīng)取代了部分傳統(tǒng)的金屬材料和結(jié)構(gòu)，成為現(xiàn)代三航工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的一部分。

早期開展的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)失效行為研究工作主要以落錘撞擊和彈體侵徹形成的接觸式?jīng)_擊加載為主[1-2]。研究結(jié)果表明，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的主要失效模式包含基體和纖維斷裂、層裂等。Hashin[3]指出，纖維和基體材料、鋪層方式、幾何尺寸和加載面積等均會(huì)對(duì)層合板的失效模式造成重要影響。Heimbs等[4]針對(duì)層合板的高速侵徹開展了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，得出侵徹載荷下層合板除了纖維失效外，還包含層裂和基體開裂等。侵徹速度、侵徹角度、纖維鋪層、層合板結(jié)構(gòu)形式等對(duì)層合板結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)行為和失效均有較為豐富的研究成果[5-9]。Yang等[10]采用三維DIC對(duì)碳纖維編織層合板材料在彈體侵徹下的橫向動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行了研究。Li等[11]對(duì)編織的玄武巖/環(huán)氧樹脂層合板的平板和曲面板結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)失效行為進(jìn)行了對(duì)比分析，強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)曲率對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的重要影響。Huang[12]、Avachat等[13]研究了水下沖擊載荷作用下層合板的動(dòng)態(tài)行為和失效機(jī)理。Schiffer等[14]采用水下沖擊加載模擬裝置，對(duì)層合板在高強(qiáng)度水下沖擊載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行研究，建立了復(fù)合材料層合板動(dòng)態(tài)響應(yīng)理論分析模型。為了降低對(duì)復(fù)雜空氣爆炸實(shí)驗(yàn)的依賴，利用泡沫彈高速撞擊形成的沖擊載荷來模擬空氣爆炸載荷是當(dāng)前的一種常規(guī)有效手段[15-17]。目前這種加載方式下層合梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和失效研究公開文獻(xiàn)較少。

本工作針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板在泡沫鋁子彈撞擊產(chǎn)生的沖擊載荷加載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和失效模式，利用高速攝影系統(tǒng)，研究層合板在不同沖擊強(qiáng)度下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和抗沖擊性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用的層合板為T700碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，層合板所采用的鋪層順序?yàn)閇0/90/0/90/0]2s，總厚度為 2.4 mm。

T700碳纖維復(fù)合材料單層板的材料屬性：縱向剛度E1= 100 GPa，橫向剛度E2= 80 GPa，泊松比ν12= 0.21，剪切模量G12= 4 GPa，縱向拉伸強(qiáng)度XT= 2 100 MPa，縱向壓縮強(qiáng)度XC= 700 MPa，橫向拉伸強(qiáng)度YT= 42 MPa，橫向抗壓強(qiáng)度YC= 160 MPa，層間剪切強(qiáng)度S= 104 MPa，密度ρ= 1 500 kg/m3。

為了獲得碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料（CFRP/Epoxy）層合板在不同沖擊強(qiáng)度下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)與失效模式，本實(shí)驗(yàn)通過采用密度為460 kg/m3的泡沫鋁子彈以不同速度進(jìn)行加載。泡沫鋁彈體的屈服強(qiáng)度σy= 3.4 MPa，平臺(tái)應(yīng)力σp= 2.16 MPa，壓實(shí)應(yīng)變?chǔ)臘= 0.74。泡沫鋁彈體為 ? 39.6 mm ×50 mm的圓柱體。層合板在實(shí)驗(yàn)前被切割成幾何尺寸為240 mm × 42 mm的梁結(jié)構(gòu)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由一級(jí)輕氣炮、激光測(cè)速裝置、實(shí)驗(yàn)靶艙、固定支架以及高速相機(jī)等組成，如圖1所示。通過控制一級(jí)輕氣炮氣室高壓氣體壓力，達(dá)到控制泡沫彈初始速度的目的。實(shí)驗(yàn)過程中，利用Photron Fastcam Sa-Z高速攝影機(jī)捕捉泡沫彈沖擊復(fù)合材料層合梁的全過程，高速相機(jī)采樣頻率為60 000幀每秒，分辨率為896 × 368像素。層合板梁采用螺栓固定的方式緊固于固定支架上。

圖1 高速?zèng)_擊加載實(shí)驗(yàn)裝置(a)及固定夾具裝置(b)示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematics of (a) the experimental set-up and (b) the clamped device (Unit: mm)

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

為了研究層合板梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)與失效隨沖擊強(qiáng)度的變化，采用5種不同的彈體沖擊速度，初始速度分別為 50.1、71.4、138.8、173.5和 204.2 m/s，對(duì)應(yīng)的量綱一沖量（見下文）分別為 0.24、0.33、0.67、0.83和0.99。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

與金屬梁結(jié)構(gòu)在局部沖擊載荷下形成的兩個(gè)動(dòng)態(tài)塑性鉸鏈不同，復(fù)合材料層合板受沖擊后無塑性變形發(fā)生。層合板的橫向變形是在彎曲波的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生的，這種隨著彎曲波傳播而發(fā)生的橫向變形過程在一定沖擊強(qiáng)度下與塑性鉸的運(yùn)動(dòng)形式基本相似[12]。然而，無塑性變形的碳纖維層合板的沖擊響應(yīng)也必然與金屬梁的響應(yīng)存在不同。

泡沫彈加載形成的初始沖量為I0=mv0，其中m為泡沫彈質(zhì)量，v0為彈體初始速度。本研究采用量綱一沖量其中ρ和σ分別為層合板的密度與拉伸強(qiáng)度，L為梁的半跨長度。碳纖維增強(qiáng)層合板由于無剩余變形，結(jié)構(gòu)在沖擊變形過程中的橫向變形是評(píng)估其抗沖擊性能的重要參數(shù)。

2.1 層合板失效模式和機(jī)理

在金屬鋁泡沫彈的局部沖擊載荷加載下，CFRP/Epoxy層合板隨著沖擊強(qiáng)度的變化會(huì)發(fā)生一系列的變形和失效。由于邊界簡支，層合板梁的中心加載區(qū)域受到由彎曲/拉伸導(dǎo)致的最大應(yīng)力。柱形泡沫彈在與層合板梁接觸的邊緣由于入射壓縮應(yīng)力波和彎曲波的作用會(huì)形成局部褶皺和橫向變形。壓縮應(yīng)力波經(jīng)由層合板背面反射形成拉伸波，當(dāng)拉伸波強(qiáng)度足夠大時(shí)，層合板出現(xiàn)纖維與基體之間的層裂。在足夠大的初始沖擊強(qiáng)度下，隨著橫向變形和軸向拉伸的增加，層合板發(fā)生基體和纖維的斷裂失效。

2.2 層合板梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程

以初始沖擊速度為138.8 m/s、量綱一沖量為0.67的泡沫鋁彈體的沖擊加載為例，圖2展示了泡沫彈加載過程中層合板梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形和失效過程。整個(gè)變形過程可以分為兩個(gè)典型階段：(1)由中心局部加載形成的彎曲波向兩端傳播，直至到達(dá)端點(diǎn)處；(2)層合板在拉伸/彎曲下開始發(fā)生結(jié)構(gòu)整體變形。這與金屬梁受局部載荷作用的典型響應(yīng)階段相同。包括后續(xù)脫離靶架的運(yùn)動(dòng)過程，整個(gè)響應(yīng)階段的持續(xù)時(shí)間大約為2.00 ms。由圖2可見，彎曲波在0.30 ms達(dá)到兩端后，層合板的變形輪廓在彈體兩側(cè)呈直線，直到0.80 ms后脫離靶架。這種直線的變形在固定端約束的情況下，使得層合板在中心彈體加載位置發(fā)生明顯的對(duì)折現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致基體和纖維拉伸斷裂的發(fā)生。在1.26 ms，層合板已發(fā)生明顯的對(duì)中折斷。

圖2 CFRP/Epoxy層合板梁在= 0.67沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程Fig.2 Sequence of high-speed photographs of the CFRP/Epoxy laminate subjected to= 0.67

層合板在變形過程中的變形呈較好的對(duì)稱性，以下半跨長度為L的層合板上不同位置點(diǎn)隨時(shí)間變化繪制層合板變形輪廓時(shí)程曲線，如圖3(a)所示?？梢郧逦乜吹?jīng)_擊載荷作用下隨著彎曲波的運(yùn)動(dòng)，層合板從局部變形到結(jié)構(gòu)整體變形的過程。結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)，由于層合板梁變形輪廓呈近似直線，在彈體裝置位置未與彈體頭部完全貼合時(shí)，整個(gè)變形在彎曲波到達(dá)左側(cè)端點(diǎn)后開始以中點(diǎn)和端點(diǎn)兩點(diǎn)為“鉸”，發(fā)生軸向拉伸，最終發(fā)生對(duì)折失效。圖3(b)所示的中點(diǎn)隨時(shí)間的變形過程中可見在0.47 ms前是線性增長，在0.47 ms后由于固支端的作用，曲線斜率有所下降，直至0.68 ms開始逐步脫離夾具，隨彈體向靶艙壁運(yùn)動(dòng)。

圖3 CFRP/Epoxy層合板梁在 = 0.67沖擊下的變形輪廓(a)和中點(diǎn)變形(b)Fig.3 Histories of deformation profiles (a), and midpoint deflection (b) of the CFRP/Epoxy laminate subjected to = 0.67

圖4為上述泡沫彈撞擊下碳纖維/環(huán)氧樹脂層合板梁的失效模式。層合板從中間斷裂為兩等分的同時(shí)，可以看到在中心撞擊位置處層合板發(fā)生了明顯的沿厚度方向的壓縮失效。與此同時(shí)，泡沫彈撞擊端也有一定的壓縮發(fā)生。而泡沫彈端部的嚴(yán)重不對(duì)稱壓縮的主要原因是加載過程中彈體的輕微偏轉(zhuǎn)以及以此姿態(tài)發(fā)生的與靶艙緩沖墊的二次撞擊，如圖2所示。從圖4（c）所示的齊整斷裂面可以看到明顯的基體和纖維脆性斷裂、層裂、基體裂紋和纖維撥出等失效模式，并且在加載區(qū)域兩側(cè)，由于層合板的彎曲，也出現(xiàn)了明顯的層裂失效。

圖4 CFRP/Epoxy層合板梁在= 0.67沖擊下的失效模式Fig.4 Failure mode of the CFRP/Epoxy laminate subjected to = 0.67

2.3 加載強(qiáng)度的影響

為了研究不同加載強(qiáng)度對(duì)層合板動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程和抗沖擊性能的影響，本研究開展了另外4組不同初始沖擊強(qiáng)度加載的實(shí)驗(yàn)研究。泡沫彈體質(zhì)量基本相同，沖擊初始速度和量綱一加載強(qiáng)度如上所述。圖5為不同初始沖擊強(qiáng)度下層合板梁的動(dòng)態(tài)變形和失效過程，呈現(xiàn)出明顯不同的變形機(jī)制：低于中等沖擊強(qiáng)度（v0= 138.8 m/s）加載時(shí)，層合板梁的變形以結(jié)構(gòu)整體的橫向變形為主；高于中等沖擊強(qiáng)度時(shí)，層合板的變形出現(xiàn)明顯的局部化，并且局部化區(qū)域隨著加載強(qiáng)度的增加而減小。出現(xiàn)這種局部化效應(yīng)的主要原因可以歸結(jié)為在強(qiáng)沖擊載荷作用下碳纖維層合板的橫向變形速度大于彎曲波在層合板中沿徑向的傳播速度。在較低沖擊強(qiáng)度加載下，層合板隨著整體變形的進(jìn)行，在泡沫彈作用下呈現(xiàn)明顯的平臺(tái)，如圖5（a）中0.43 ms圖像，并隨著變形的持續(xù)增加，最終呈整體圓拱狀。強(qiáng)沖擊作用下，層合板在發(fā)生局部明顯橫向變形的初始時(shí)刻便發(fā)生了明顯的基體和纖維斷裂等失效，尤其當(dāng)彈體沖擊速度為204.2 m/s時(shí)，在0.33 ms時(shí)便出現(xiàn)清晰的纖維基體破碎，在0.73 ms時(shí)基本完全失效。

圖5 不同沖擊強(qiáng)度下層合板動(dòng)態(tài)變形和失效Fig.5 Dynamic deformation and failure of CFRP/Epoxy laminate under different impulses

圖6（a）對(duì)比了最低和最高兩種沖擊強(qiáng)度下的變形輪廓線隨時(shí)間變化關(guān)系，顯示了明顯的變形局部化的特點(diǎn)。當(dāng)彈體以204.2 m/s速度沖擊時(shí)，層合板兩側(cè)部分始終沿著徑向滑移，未發(fā)生橫向變形；在距離中點(diǎn)20～50 mm段的變形較?。辉诳拷行牡?0 mm段則發(fā)生急劇的變形增長。低速?zèng)_擊時(shí)，在0.13 ms之后，結(jié)構(gòu)發(fā)生整體變形。取不同沖擊強(qiáng)度下層合板的中點(diǎn)變形，得到如圖6（b）所示的時(shí)程曲線。隨著結(jié)構(gòu)變形的增加，最終靶板脫離夾具，繼續(xù)以一定的動(dòng)能運(yùn)動(dòng)（見圖5，以空心點(diǎn)的形式表示）。隨著沖擊強(qiáng)度的增加，曲線斜率明顯增加，中點(diǎn)響應(yīng)速度增加而靶板脫離夾具的時(shí)間減小。這種沖擊強(qiáng)度的影響在沖擊速度為50.1～138.8 m/s時(shí)明顯地大于沖擊速度為138.8～204.2 m/s。當(dāng)沖擊強(qiáng)度較小時(shí)，結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)時(shí)間長，并在停止前發(fā)生了較明顯的變形恢復(fù)階段。當(dāng)沖擊強(qiáng)度增加時(shí)，隨著響應(yīng)速度的增加和局部化失效的發(fā)生，層合板的最大變形在138.8 m/s時(shí)達(dá)到最大的67.2 mm后開始降低。

圖6 層合板在不同沖擊強(qiáng)度下的中點(diǎn)變形(a)和變形輪廓線(b)Fig.6 Midpoints-deflection histories (a) and deformation profiles (b) of CFRP laminates under impulsive loadings

當(dāng)彈體沖擊速度小于138.8 m/s時(shí)，層合板主要發(fā)生彈性變形，在層合板表面無明顯失效發(fā)生。在彈體沖擊速度達(dá)到或超過138.8 m/s時(shí)，層合板隨沖擊強(qiáng)度的增加，發(fā)生折斷失效。速度到達(dá)204.2 m/s時(shí)層合板完全破碎，如圖7所示。

圖7 CFRP/Epoxy層合板失效模式與能量耗散比的關(guān)系Fig.7 Failure modes versus specific energy absorption of the CFRP/Epoxy laminate

2.4 層合板能量吸收

由獲得的動(dòng)態(tài)變形過程中的圖像可以發(fā)現(xiàn)，泡沫彈在與層合板撞擊過程中的變形較小，其主要變形發(fā)生在與靶艙的二次碰撞。因此，本研究忽略泡沫彈的變形吸能。層合板在泡沫彈沖擊加載下的能量耗散方式主要有結(jié)構(gòu)變形和層合板失效兩種。層合板的耗能Ed可以通過彈體初始動(dòng)能E0和靶板與彈體脫離夾具時(shí)獲得的剩余動(dòng)能Er之差來獲取。在實(shí)驗(yàn)過程中，靶板在拔出之前與固支部分及夾具發(fā)生摩擦，但是由于作用時(shí)間短，做功相較于前后動(dòng)能很小，本研究將此忽略。在彈體沖擊下，靶板和彈體同步向初始速度方向運(yùn)動(dòng)，在不考慮靶板速度沿跨長分布的情況下，假定在脫離靶板后，層合板和泡沫彈以相同速度向前運(yùn)動(dòng)。因此，Ed=E0?Er。其中剩余能量和vr是靶板和彈體的總質(zhì)量和共同速度。而碳纖維層合板材料的能量耗散比可記為 S EA=Ed/ρ。如圖7所示，層合板能量耗散比隨初始沖擊強(qiáng)度增加呈上升趨勢(shì)，并呈現(xiàn)出明顯的3個(gè)階段，表現(xiàn)出與層合板失效模式的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。在低速撞擊情況下，層合板發(fā)生以彈性變形為主的失效，能量耗散比上升較快；隨著中心折斷失效的發(fā)生，能量耗散伴隨著更大面積的基體和纖維斷裂而有所增加，但增加幅度明顯降低；在最大沖擊強(qiáng)度下，層合板整體在初始撞擊時(shí)刻便發(fā)生嚴(yán)重的大面積失效，致使能量耗散有了明顯的增加。

3 結(jié) 論

采用泡沫鋁子彈撞擊形成的沖擊載荷，對(duì)等厚度的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的抗沖擊性能展開了實(shí)驗(yàn)研究，討論了沖擊強(qiáng)度對(duì)層合板的動(dòng)態(tài)失效過程、變形輪廓、中點(diǎn)變形、失效模式及能量耗散比的影響。

（1）低于該臨界加載強(qiáng)度時(shí)，層合梁的變形以整體的橫向變形為主，在彈體撞擊位置呈較為明顯的平臺(tái)；高于該臨界加載強(qiáng)度時(shí)，層合梁的變形發(fā)生明顯的局部化，并且局部化區(qū)域隨著加載強(qiáng)度的增加而減小。

（2）中點(diǎn)的變形響應(yīng)速度隨沖擊強(qiáng)度的增加而增加。隨著響應(yīng)速度的增加和局部化失效的發(fā)生，層合梁臨界沖擊速度下的最大變形開始降低。層合梁的彈性最大變形不能作為一個(gè)獨(dú)立的抗沖擊性能評(píng)價(jià)參數(shù)。

（3）隨著沖擊強(qiáng)度的增加，層合梁的失效主要分為低速?zèng)_擊下的彈性變形、中等強(qiáng)度沖擊下的對(duì)折斷裂以及高強(qiáng)度沖擊下的完全破碎。層合梁能量耗散比隨沖擊強(qiáng)度的增加而增加，并展現(xiàn)出與這3類結(jié)構(gòu)失效模式直接關(guān)聯(lián)的3個(gè)不同階段。