朱镕鑫，白雪飛，梅志遠，周軍

海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北武漢430033

0 引 言

復合材料層合板與傳統(tǒng)鋼質(zhì)板材相比，強度高、可設計性強、耐腐蝕性強，在航空航天、土木工程以及船舶制造領(lǐng)域具有較廣泛的應用［1-6］；但其在受到面外撞擊載荷作用時，極易出現(xiàn)層合板內(nèi)部基體開裂甚至層間分層現(xiàn)象［7-9］，削弱了復合結(jié)構(gòu)的承載性能。因此有必要探討復合材料層合板在低速撞擊下的損傷機理和響應規(guī)律。

玻璃纖維層合板作為較為經(jīng)典的復合材料層合板，對其的研究已經(jīng)非常充分，應用也十分廣泛。沈真等［10］在1991 年進行了較為系統(tǒng)的低速沖擊試驗，得出外觀及內(nèi)部損傷形態(tài)隨沖擊能量變化會出現(xiàn)狀態(tài)變化。隨著眾多學者對層合板材料選型的深入研究，碳纖維層合板的剛度強度特性得到了關(guān)注。張子龍等［11］對特定鋪層設計的碳纖維層合板進行了低速沖擊試驗，驗證了沈真“損傷形貌與纖維鋪設角度有關(guān)”的結(jié)論；易美琦［12］通過仿真計算，研究了預置分層損傷形貌、角度、沿厚度方向的位置對沖擊后碳纖維層合板剩余強度的影響規(guī)律及影響程度。但碳纖維自身延伸率低、與玻璃纖維相比韌性較差的特性也限制了其應用。于是，考慮將2 種纖維混雜，兼顧并充分發(fā)揮兩者的力學特性。

碳/玻混雜的目的是同時利用碳纖維的強度、剛度優(yōu)勢及玻璃纖維的韌性優(yōu)勢。但碳纖維與玻璃纖維的力學性能差異較為明顯，層間混雜所帶來的變形不協(xié)調(diào)使得2 種纖維界面處極易產(chǎn)生損傷。除了利用傳統(tǒng)的面內(nèi)強度測試反映剩余承載性能外，有學者提出了利用模態(tài)參數(shù)反映分層損傷對層合板影響程度的方法［13］。

模態(tài)參數(shù)一般包括振型、頻率以及阻尼3 個參數(shù)。在層合板損傷分層的早中期階段，即損傷面積不大于50%時［13］，分層板與無損板的振型無明顯區(qū)別；低階模態(tài)對應的頻率改變也不明顯，僅表現(xiàn)出5%以內(nèi)的偏差，對于判斷是否產(chǎn)生分層損傷沒有實質(zhì)性作用；而沖擊加載所帶來的基體損傷、層間分層甚至纖維斷裂，會在層合板內(nèi)部形成新的自由面，使得層合板振動時因新的自由面互相接觸摩擦而耗能，外部表現(xiàn)為阻尼的急劇增加，即低階模態(tài)下的阻尼特性對損傷程度變化的反應較靈敏。本文擬參考文獻［13］的觀點，選取層合板在損傷前、后的一階模態(tài)阻尼比的增長規(guī)律對損傷程度進行評價。

目前對混雜層合板低速沖擊損傷特性的研究，大多集中在材料層面，試件尺寸及沖擊能量取值較小，單純進行損傷機理分析［14-15］，對工程應用的指導作用不夠直接。本文將通過落錘沖擊法模擬玻璃纖維/3201 手糊層合板以及碳/?；祀s夾層板受不同能級低速撞擊載荷作用，對比兩者的耐撞擊特性，測量沖擊加載后平板的分層區(qū)域直徑D、沖擊凹坑深度s 及凹坑直徑d，來描述沖擊損傷形態(tài)及一階模態(tài)阻尼，以明確碳/?；祀s夾層板與玻璃纖維層合板的損傷模式及其演變規(guī)律的不同之處。此外，在碳/玻混雜夾層板沖擊面貼敷柔性覆蓋層，將此作為優(yōu)化和保護途徑，探討其對碳/?；祀s夾層板耐撞擊特性的優(yōu)化效果。

1 試驗方案設計

1.1 試件方案

本文研究對象有玻璃纖維層合板、碳/?；祀s夾層板以及碳/玻混雜夾層單側(cè)貼敷橡膠復合板（橡膠貼敷厚度20 mm）3 種，其中碳/玻混雜夾層板鋪層參數(shù)如表1 所示。玻璃纖維層合板鋪層方式為0°/90°正交鋪層，為保證2 種試件的起始剛度相同，玻璃纖維層合板厚度設計為15 mm。

表1 碳/?；祀s夾層板鋪層參數(shù)Table 1 Ply parameters of hybrid carbon-glass fiber sandwich panel

1.2 撞擊試驗加載工況設計

參考美國ASTM D30 復合材料委員會審定的測量纖維增強聚合物基復合材料對落錘沖擊事件的損傷阻抗的標準試驗方法（ASTM D7136）試驗標準，確定沖擊試驗平板長、寬均為250 mm；沖頭設計為直徑20 mm 的半球形，沖擊點位于平板面內(nèi)幾何中心。確定工況前，通過仿真計算得到試件在準靜態(tài)加載工況下產(chǎn)生初始損傷時對應的載荷，取經(jīng)驗系數(shù)放大載荷得到產(chǎn)生撞擊損傷所需的載荷，對應沖擊能量起始值為137.2 J，試驗沖頭起始質(zhì)量為7 kg，沖頭距試件凈高2 m，每2 個沖擊載荷能量之間相差137.2 J，即每檔能量倍增，本文試驗具體工況設置如表2 所示。

表2 沖擊試驗設計工況Table 2 Designed conditions of the impact test

落錘沖擊試驗平臺如圖1 所示。實際使用吊裝高度為2 m，與文獻［16］采用同一試驗平臺。

圖1 沖擊試驗平臺Fig.1 Impact test platform

使用游標卡尺測量沖擊凹坑深度和直徑，使用超聲C 掃描儀測量沖擊損傷區(qū)域直徑，后者可成像后自動讀數(shù)。

1.3 模態(tài)阻尼特性試驗設計

分別對損傷前、后玻璃纖維層合板、碳/?；祀s板和碳/?；祀s單側(cè)貼敷橡膠復合板進行振動測試。

試驗中模態(tài)識別采用了多點激勵單點拾振法。為盡量得到接近實際的振動響應結(jié)果，激勵點分布在整個板面，板正面均布25 個激勵點（圖2（a）），采用力錘激勵。為突出沖擊點附近因損傷帶來的振動響應變化，在板背面中心布置1 個加速度響應拾振點；不同的邊界條件會引起平板響應特性的明顯變化，為使響應更加明顯，板的邊界條件確定為一邊固支。試驗測量系統(tǒng)由貼敷于層合板表面的加速度傳感器、動態(tài)采集器、力錘及計算機等組成，實際組裝效果如圖2（b）所示。最終得到平板在力錘敲擊下的頻響特性曲線，進而分析得到一階模態(tài)下的阻尼值。

圖2 模態(tài)阻尼特性試驗激勵點分布及工裝Fig.2 Distribution of excitation points and rig of modal damping characteristic test

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

2.1.1 低速撞擊試驗

基于給定工況C1～C4，對3 種平板進行沖擊試驗。各種平板沖擊損傷的表觀形態(tài)如圖3 所示，對平板的超聲C 掃描示意圖如圖4 所示。

對比圖3 和圖4 的損傷形貌可以看出：玻璃纖維層合板的迎撞面呈現(xiàn)明顯的圓形沖擊凹坑以及較小的十字形裂紋擴展；碳/玻混雜夾層板則呈現(xiàn)出更為明顯的十字形坑。在背撞面上，隨著沖擊能量增大，玻璃纖維層合板出現(xiàn)了損傷形態(tài)的變化，當沖擊能量達到411.6 J 時，背撞面開始出現(xiàn)花瓣狀的纖維斷裂區(qū)域；而碳/?；祀s夾層板在試驗設定的能量范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為目視可見的內(nèi)部分層區(qū)域的擴大，板背面并沒有出現(xiàn)基體開裂及纖維斷裂。

由圖4 可以看出，各平板面內(nèi)的損傷區(qū)域形狀均為近似圓形。在厚度方向，玻璃纖維層合板的損傷區(qū)域形狀為近似倒置喇叭狀，損傷區(qū)域直徑最大值位于整個損傷區(qū)域最靠近板背面的位置；碳/玻混雜夾層板的損傷區(qū)域沿厚度方向無規(guī)則分布。掃描結(jié)果顯示：沿厚度方向有4 個直徑較大的“損傷區(qū)域”，但結(jié)合掃描儀的工作原理，圖中的Ⅱ～Ⅳ區(qū)域?qū)嶋H都是探傷聲波到達Ⅰ區(qū)域后反射形成的虛像，即實際探得的損傷區(qū)域僅有Ⅰ區(qū)域，也就是說碳/?；祀s夾層板沿厚度方向的損傷區(qū)域主要集中在Ⅰ區(qū)域，其對應的深度為碳纖維與E800 玻璃纖維之間的界面。

圖3 不同平板沖擊損傷表觀形態(tài)圖Fig.3 Different plate impact damage appearance

表3 所示為不同工況下玻璃纖維層合板與碳/玻混雜夾層板損傷程度對比結(jié)果，對比參數(shù)包括損傷區(qū)域直徑最大值D、損傷區(qū)域直徑最大值所在深度h、沖擊凹坑深度s、凹坑直徑d。

圖4 沖擊損傷試件超聲C 掃描示意圖Fig.4 Schematic digram of ultrasonic scanning of impact damage test piece

沖擊加載后的碳/?；祀s單側(cè)貼敷橡膠復合板無明顯的沖擊凹坑，所以用于對比其與碳/?；祀s夾層板損傷形態(tài)的特征參量僅有損傷區(qū)域最大直徑。對比2 種平板的損傷區(qū)域最大直徑，得到單側(cè)貼敷橡膠板相對純碳/?；祀s夾層板損傷區(qū)域直徑的減小幅度rdec，具體數(shù)值如表4 所示。

2.1.2 模態(tài)阻尼特性試驗

對3 種層合板進行振動試驗，將采集的時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號，在模態(tài)分析時選擇一階固有頻率附近可識別的信號點，通過軟件計算得到玻璃纖維層合板和碳/?；祀s夾層板的一階模態(tài)阻尼比，如表5 所示。表中rg為一階模態(tài)阻尼比。碳/?；祀s+單側(cè)橡膠復合板激振響應太過微弱，低于傳感器的接收范圍下限，所以在沖擊試驗后將橡膠層清除再進行一階模態(tài)阻尼測量。

表3 玻璃纖維層合板與碳/玻混雜板損傷特征參數(shù)對比Table 3 Comparation of damage characteristic parameters between GFRP and hybrid carbon-gless fiber sandwich panel

表4 碳/?；祀s板與碳/?；祀s+單側(cè)橡膠復合板損傷特征參數(shù)對比Table 4 Comparation of damage characteristic parameters between hybrid carbon-gless fiber sandwich panel and rubber pasted hybrid carbon-gless fiber sandwich panel

表5 一階模態(tài)阻尼比測量值Table 5 Measurment data of first-order modal damping ratio

2.2 試驗結(jié)果對比及分析

2.2.1 低速撞擊試驗結(jié)果對比及分析繪制

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)，繪制損傷形貌特征參數(shù)隨沖擊能量變化圖，如圖5～圖7 所示。

由圖4 和表3 可知，玻璃纖維層合板與碳/?；祀s夾層板的損傷模式存在差異：玻璃纖維層合板的損傷區(qū)域最大直徑所在深度隨沖擊能量增大向板背面偏移，直至損傷區(qū)域貫穿整個板厚方向；碳/?；祀s夾層板的損傷區(qū)域最大直徑所在深度基本保持在碳纖維與E800 纖維的界面處。損傷區(qū)域最大直徑所在深度的變化規(guī)律也表明碳纖維與E800 纖維交界處界面強度小于E800 纖維、碳纖維各自內(nèi)部的層間粘接強度，所以出現(xiàn)層間分層集中在2 種纖維交界處的現(xiàn)象。

圖5 損傷區(qū)域直徑隨沖擊能量的變化Fig.5 Variation of diameter of the damage zone with respect to impact energy

圖6 沖擊凹坑深度隨沖擊能量的變化Fig.6 Variation of depth of impact pit with respect to impact energy

圖7 沖擊凹坑直徑隨沖擊能量的變化Fig.7 Variation of diameter of impact pit with respect to impact energy

由圖5～圖7 可見，2 種平板的損傷特征參數(shù)隨沖擊能量的增大均單調(diào)增長，且碳/?；祀s夾層板的損傷區(qū)域直徑最大值始終大于玻璃纖維層合板，也證明了2 種纖維接觸界面處的強度小于單一種類玻璃纖維編織層之間的界面強度；而碳/?；祀s夾層板的沖擊凹坑尺寸普遍小于玻璃纖維層合板，也即碳纖維層的剛度大于玻璃纖維，且沖擊彎斷后的短切碳纖維在局部可以對剩余結(jié)構(gòu)進行加強。

通過表4 中2 種板材的對比結(jié)果可以看出，貼敷橡膠對沖擊載荷能量有著明顯的吸收作用，但隨著沖擊能量的增大，橡膠的防護作用會削弱。在沖擊能量不太大時，橡膠貼敷層可以較為理想地保護碳/?；祀s層合部分；而在工況C4 時橡膠層減輕損傷的作用僅剩2.46%。也就是說在單純考慮局部損傷的背景下，橡膠貼敷需考慮環(huán)境工況予以調(diào)整，以實現(xiàn)防護功能。

2.2.2 模態(tài)阻尼特性試驗結(jié)果對比及分析

觀察3 種平板的一階模態(tài)阻尼比隨沖擊載荷能量的變化趨勢（圖8），可以看出，3 種平板的一階模態(tài)阻尼比隨著沖擊能量增大均呈現(xiàn)了非線性單調(diào)遞增趨勢。相比玻璃纖維層合板，不論碳/?；祀s夾層板是否貼敷橡膠，其一階模態(tài)阻尼比的絕對值和漲幅都更低。在沖擊能量相同的情況下，前者承載性能對分層損傷的敏感程度弱于后者。由表4 可見，在工況C2 時貼敷橡膠的碳/玻混雜夾層板損傷區(qū)域直徑最大值大于工況C1 時未貼敷橡膠的碳/?；祀s夾層板，但圖8 所示前者的一階模態(tài)阻尼比小于后者；結(jié)合低階模態(tài)阻尼表征層合板損傷程度的原理分析可知，未貼敷橡膠碳/?；祀s夾層板產(chǎn)生的沖擊凹坑和板正面的裂紋擴展會使損傷區(qū)域的接觸阻尼變大，所以對一階模態(tài)阻尼比的提高有一定影響。

圖8 平板一階模態(tài)阻尼比隨沖擊能量的變化趨勢Fig.8 Variation of the first-order modal damping ratio of the panel with respect to impact energy

由圖9 可見，在沖擊能量較低時，貼敷橡膠前、后的碳/?；祀s夾層板的一階模態(tài)阻尼比明顯下降，降幅達到52.21%；隨著沖擊能量的增大，雖然一階模態(tài)阻尼比降幅同樣增大，但隨著分層損傷程度增大，一階模態(tài)阻尼比出現(xiàn)更加急劇的非線性增長，在工況C4 時阻尼比的降幅已經(jīng)減小至39.01%，貼敷橡膠對一階模態(tài)阻尼比的降低作用隨著沖擊能量增大而相對弱化，這與之前觀察分層損傷區(qū)域時得到的貼敷橡膠防護作用隨沖擊能量增大而迅速減弱的結(jié)論一致。

3 結(jié) 論

本文采用落錘法對碳/玻混雜夾層板、玻璃纖維層合板以及碳/玻混雜夾層單側(cè)貼敷橡膠復合板等3 型平板的低速耐撞擊性能進行對比試驗研究，得到以下主要結(jié)論：

1）同等沖擊能量下，碳/?；祀s夾層板與玻璃纖維層合板的損傷模式存在差異。碳/?；祀s夾層板的層間損傷主要產(chǎn)生在碳纖維與E800 玻璃纖維2 種纖維的界面，玻璃纖維層合板的損傷模式呈現(xiàn)較為規(guī)則的圓臺形；前者分層損傷區(qū)域直徑始終大于后者。

2）隨著沖擊能量的增大，3 種平板的一階模態(tài)阻尼比均呈現(xiàn)非線性單調(diào)遞增，碳/?；祀s夾層板的剩余承載性能及其對分層損傷的敏感程度均優(yōu)于玻璃纖維層合板；貼敷橡膠使得碳/?；祀s夾層板的剩余承載特性得到了一定程度的優(yōu)化。

3）在沖擊能量增大的起始階段，橡膠貼敷層對碳/?；祀s夾層板的防護作用就已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的削弱，隨著沖擊能量增大最終穩(wěn)定在較低水平。