張永強(qiáng)， 劉龍權(quán)， 余 音

（上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院航空航天先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心，上海200240）

0 引 言

復(fù)合材料加筋薄壁板因其優(yōu)良的力學(xué)特性，被越來越多地應(yīng)用到飛行器、船舶與汽車的主要承力結(jié)構(gòu)當(dāng)中［1-3］，在結(jié)構(gòu)承受集中載荷或者局部彎曲時(shí)，筋條可以傳遞來自壁板與邊框的剪切載荷，大大加強(qiáng)了壁板的穩(wěn)定性與極限承載能力。其中，帽型加筋板由于其封閉的截面特性具有良好的扭轉(zhuǎn)剛度，穩(wěn)定性好，成為飛機(jī)、火箭等環(huán)狀結(jié)構(gòu)蒙皮的首選。在服役過程中，彎曲載荷是環(huán)狀結(jié)構(gòu)主要承受的載荷［4］，且容易受到跑道碎石、冰雹等的撞擊［5-6］，因此撞擊后的損傷情況以及受到損傷后的抗彎強(qiáng)度剛度問題是帽型加筋板設(shè)計(jì)的重要影響因素。研究表明，膠層脫粘是帽型加筋板的主要破壞形式［7］，同時(shí)還存在纖維分層、屈曲等問題［8］，且局部失效會(huì)改變結(jié)構(gòu)的傳力路徑，不同破壞模式之間相互影響［9］。這些問題加大了設(shè)計(jì)上的難度，引起國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究探討。

孫晶晶等［10］通過試驗(yàn)和數(shù)值法，研究了復(fù)合材料帽型加筋板承受橫向四點(diǎn)彎曲時(shí)，不同跨距下筋條脫粘的失效機(jī)理，并分析了結(jié)構(gòu)損傷對(duì)傳力路徑的影響。Yetman等［11］指出材料的GIIC、拉伸強(qiáng)度等特定斷裂性能對(duì)評(píng)估帽型加筋板裂紋的萌生與擴(kuò)展具有重要作用。張茹等［12］借助ABAQUS分析了矩形預(yù)制分層的形狀與所在位置對(duì)極限載荷的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)缺陷面積較小時(shí)，極限載荷略有降低，只有超出一定值時(shí)，極限載荷才會(huì)突然下降。Yetman等［13］研究了帽型加筋板在軸向壓縮時(shí)，脫粘長度與位置對(duì)極限載荷與失效模式的影響。Wiggenraad等［14］研究了受沖擊的I型加筋板的損傷容限，發(fā)現(xiàn)沖擊位置影響結(jié)構(gòu)在彎曲載荷下的分層擴(kuò)展。

相比于帽型加筋板承載后裂紋的萌生與擴(kuò)展［1］，對(duì)含預(yù)制損傷，尤其是沖擊損傷的帽型加筋板承載能力的研究還稍顯不足。另外復(fù)合材料對(duì)沖擊損傷較為敏感，沖擊后力學(xué)性能的研究尤為重要，而復(fù)合材料帽型加筋板沖擊損傷演化及破壞模式十分復(fù)雜，并且對(duì)結(jié)構(gòu)的彎曲性能的影響很大，但是沖擊后層板分層與膠接界面脫黏的長度與形狀都具有很大的分散性，試驗(yàn)仍然是最為行之有效的研究方法。

本文以含有帽型加強(qiáng)筋的復(fù)合材料為對(duì)象，研究加強(qiáng)筋與壁板粘接處的R區(qū)填充捻子條或者膠膜（無捻子條）兩種情況，設(shè)計(jì)專用夾具實(shí)行沖擊，預(yù)制特定的沖擊損傷，并采用相控陣超聲檢測儀進(jìn)行無損探傷設(shè)備來檢測沖擊引起的復(fù)合材料內(nèi)部損傷。設(shè)計(jì)專用的加筋板彎曲試驗(yàn)裝置，進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，探究復(fù)合材料加筋板在受到?jīng)_擊損傷前后的彎曲性能，分析沖擊損傷對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力與破壞模式的影響。同時(shí)探究在加強(qiáng)筋R區(qū)填充捻子條對(duì)結(jié)構(gòu)彎曲性能的優(yōu)缺點(diǎn)。形成了一套研究復(fù)合材料帽型加筋板沖擊后彎曲性能行之有效的方法，為飛行器、船舶、汽車的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件由復(fù)合材料帽型長桁加平直無曲率蒙皮組成，其外形及關(guān)鍵尺寸如圖1所示，復(fù)合材料單層厚度為0.184 mm，長桁鋪9層，蒙皮鋪12層，單層板各方向彈性模量及泊松比屬性如下：E11＝154 GPa，E22＝8.5 GPa，G12＝4.2 GPa，G13＝4.2 GPa，G23＝4.2 GPa，μ12＝0.35。其中E11、E22分別表示材料1、2 方向的正彈性模量；G12、G13、G23分別表示3個(gè)方向上的剪切彈性模量；μ12表示平面12內(nèi)的泊松比。

圖1 試驗(yàn)件尺寸（mm）

考慮在蒙皮與帽型加筋粘接處的內(nèi)側(cè)R區(qū)，如圖1所示，填充單向帶捻子條或者填充膠膜（無捻子條）兩種類型，除此之外，兩種加筋板幾何參數(shù)和材料參數(shù)均相同，對(duì)兩種加筋板分別進(jìn)行四點(diǎn)彎曲和沖擊后四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)有4組試驗(yàn)件，根據(jù)構(gòu)型與加載方式編號(hào)如表1所示。

表1 構(gòu)型與加載條件

1.2 低速?zèng)_擊試驗(yàn)

采用Instron CEAST 9350落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)實(shí)施沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)參照ASTM D7136［15］測量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料對(duì)落錘沖擊事件的損傷阻抗試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)應(yīng)試驗(yàn)件R區(qū)沖擊位置，如圖2（a）所示，通過沖擊試驗(yàn)獲得脫黏損傷長度12 mm左右，進(jìn)一步用于四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中。沖擊試驗(yàn)件按照如圖2（b）所示夾持，所設(shè)計(jì)專用夾具由木料制成，用于模擬彈性邊界條件，得到接近真實(shí)的損傷模式，并避免產(chǎn)生額外的損傷，保證后續(xù)試驗(yàn)的正常開展。沖擊后試驗(yàn)件的損傷情況由Phasor XS相控陣超聲檢測儀無損探傷，探測損傷是否達(dá)到要求。

圖2 沖擊試驗(yàn)示意圖

通過控制落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的沖擊頭下落高度來控制沖擊速度與能量，試驗(yàn)采用16 mm半球形沖頭，名義沖擊能量Ei由沖擊頭質(zhì)量m與最大瞬時(shí)沖擊速度vi決定：

試樣損傷吸收的能量為：

其中：v（t）為t時(shí)刻沖擊頭的速度；δ（t）為t時(shí)刻沖擊頭相對(duì)于最大瞬時(shí)沖擊速度時(shí)的位移。由摸底試驗(yàn)確定脫黏長度為12 mm對(duì)應(yīng)的沖擊能量：含有捻子條的加筋板的沖擊能量為9 J；不含捻子條的加筋板沖擊能量為10 J。

1.3 彎曲性能測試

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在CMT5105微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)夾裝在設(shè)計(jì)加工的專用夾具上，如圖3所示。夾具支座留有足夠高度，允許試驗(yàn)件帽頂自由撓曲變形；與試驗(yàn)件直接接觸的壓輥可以滾動(dòng)，從而降低試驗(yàn)件與壓輥接觸位置在大變形發(fā)生滑移時(shí)的摩擦力，而不影響試驗(yàn)結(jié)果；支座與壓輥之間的相對(duì)位置可以微調(diào)，使得試驗(yàn)前所有壓輥均與試驗(yàn)件恰好接觸，保證載荷與邊界左右對(duì)稱。上下夾頭加載點(diǎn)中心距離分別為60、160 mm。其中下夾頭在蒙皮上保持不動(dòng)，上夾頭加載位置對(duì)應(yīng)試驗(yàn)件R區(qū)。采用位移控制加載，速率為2 mm／min，直至試驗(yàn)件完全破壞或者加載位移達(dá)到30 mm。為分析試驗(yàn)件損傷擴(kuò)展方式及破壞特征，每個(gè)試驗(yàn)件粘貼10個(gè)應(yīng)變片，粘貼位置和編號(hào)如圖4 所示，102、104、106 號(hào)應(yīng)變片與101、103、105 號(hào)應(yīng)變片左右對(duì)稱，依次粘貼在筋條側(cè)壁板、筋條與蒙皮膠結(jié)區(qū)域和蒙皮上；108、110號(hào)應(yīng)變片在試件寬度上對(duì)稱；100、101在蒙皮正反兩面正中位置。

在預(yù)試驗(yàn)中，對(duì)比應(yīng)變片106與107、108與110的示值，使應(yīng)變片示值誤差在10%以內(nèi)，調(diào)整試驗(yàn)件位置與姿態(tài)，保證試驗(yàn)件對(duì)中，載荷對(duì)稱。

圖3 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖

圖4 應(yīng)變片位置示意圖（mm）

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)制沖擊損傷

沖擊試驗(yàn)后，應(yīng)用超聲掃描法檢測沖擊后的試驗(yàn)件筋條與蒙皮之間內(nèi)側(cè)R區(qū)部分脫黏情況。脫黏區(qū)域如圖5所示，損傷形狀并不完全相同，每種試驗(yàn)件脫黏長度不可避免地也具有一定離散性，但兩組試驗(yàn)件平均沖擊脫黏長度相等。

圖5 沖擊損傷形狀

2.2 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分析

圖6 四組試驗(yàn)件典型力-位移曲線

表2 各組試驗(yàn)件在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)損傷記錄

（1）力-位移曲線及破壞模式。對(duì)4個(gè)試驗(yàn)組各選取一個(gè)試驗(yàn)件，匯總力-位移曲線如圖6所示，在位移加載過程中試驗(yàn)件損傷情況如表2所示，損傷模式具體如圖7所示。試驗(yàn)初始階段，隨著位移增加，所有試驗(yàn)組載荷均線性增加，當(dāng)發(fā)生破壞損傷時(shí)，試件所承受載荷突然下降，但載荷突降后隨著位移加載繼續(xù)升高。以下是各試驗(yàn)件在受到損傷時(shí)的載荷突降情況：①含有捻子條無損傷的A1組加載位移在11.16、17.23、22.27 mm時(shí)出現(xiàn)3次大幅的載荷突降，對(duì)應(yīng)損傷形式為R區(qū)分層、R區(qū)分層及擴(kuò)展、R區(qū)脫黏及表面劈絲；②含捻子條和沖擊損傷的A2組加載位移在15.88 mm時(shí)R區(qū)損傷，發(fā)生載荷突降；③無捻子條無損傷的B1組在加載位移等于10.77、11.44 mm時(shí)，R區(qū)損傷，載荷發(fā)生小幅突降，而加載位移等于17.34 mm，長桁與蒙皮膠結(jié)界面外側(cè)脫黏時(shí)，載荷大幅突降；④無捻子條但受到?jīng)_擊損傷的B2組加載位移等于12.22、13.26 mm 時(shí)，R 區(qū)損傷，載荷小幅突降，而加載位移等于22.36 mm，長桁與蒙皮膠結(jié)界面外側(cè)脫黏時(shí)，載荷大幅突降。

圖7 破壞模式示意圖

由此可知，各組試驗(yàn)件損傷均可以分為3個(gè)階段：R區(qū)分層及擴(kuò)展；R區(qū)表面劈絲；蒙皮與筋條界面膠層脫粘。無論哪一組試驗(yàn)件，初始損傷均為R區(qū)分層，結(jié)合圖6的力-位移曲線，當(dāng)突然發(fā)生損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)一般會(huì)出現(xiàn)一定的掉載：當(dāng)R區(qū)分層、擴(kuò)展或者脫黏時(shí)，含有捻子條的試驗(yàn)組掉載幅度較大；而不含捻子條的試驗(yàn)組只有在外側(cè)脫黏時(shí)才開始大幅掉載。這說明在R區(qū)填充捻子條改變了加筋板結(jié)構(gòu)的傳力路徑，在蒙皮與筋條的膠結(jié)界面上，內(nèi)側(cè)傳載比例相對(duì)升高，因此結(jié)構(gòu)對(duì)R區(qū)損傷更加敏感。但即使膠層開始脫粘后，加筋板仍具有一定的承載能力。

（2）初始剛度與破壞載荷。如圖6所示的力-位移曲線中，選取位移為1～4.5 mm的線性段（大致對(duì)應(yīng)蒙皮應(yīng)變在0.001～0.003之間），計(jì)算試驗(yàn)件的初始剛度，并將每組試驗(yàn)件平均初始剛度用相應(yīng)顏色的虛線標(biāo)出，對(duì)比平均初始剛度與力-位移曲線，在肉眼可見損傷或者明顯掉載之前，位移增加過程中，結(jié)構(gòu)剛度已經(jīng)有輕微的下降，這是由于加載過程中結(jié)構(gòu)已開始出現(xiàn)肉眼不可見的損傷，相應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)場有輕微響聲卻沒有明顯損傷。初始剛度逐漸下降在含有沖擊損傷的試驗(yàn)組A2、B2更加明顯。

4組試驗(yàn)件初始剛度從大到小排列為A1、B1、A2、B2：無論是否有沖擊損傷，含有捻子條的試驗(yàn)組明顯較為剛硬，對(duì)比A1與B1組，無損傷條件下，有捻子條的試驗(yàn)組的初始剛度比沒有捻子條的試驗(yàn)組高出11%；對(duì)比A1與A2組、B1與B2組，在受到?jīng)_擊損傷后，有捻子條的試驗(yàn)組初始剛度下降了17%，而沒有捻子條的試驗(yàn)組下降了12%。其中，含有沖擊損傷的試驗(yàn)組初始剛度的離散度略高于無損傷試驗(yàn)組，這是由于脫黏較長的試驗(yàn)件初始剛度較低。對(duì)于無損試驗(yàn)件取脫黏區(qū)域長度為0，繪制試驗(yàn)件初始剛度對(duì)于脫黏長度的散點(diǎn)圖，并進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖8所示。初始剛度與脫粘區(qū)域長度負(fù)相關(guān)，兩者Pearson相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值超過0.6。對(duì)比可知，有捻子條的試驗(yàn)件初始剛度受脫黏區(qū)域長度的影響更大。

圖8 初始剛度與脫黏長度的關(guān)系

試驗(yàn)件的初始破壞載荷與極限載荷如表3所示。

表3 試驗(yàn)件破壞、極限載荷的關(guān)系

無論是否含有損傷，有捻子條的試驗(yàn)組與沒有捻子條的試驗(yàn)組相比，初始破壞載荷較高（對(duì)應(yīng)R區(qū)損傷），而極限載荷較低（對(duì)應(yīng)膠結(jié)界面已有較長脫黏）。在R區(qū)對(duì)應(yīng)位置受到?jīng)_擊損傷后，有捻子條的試驗(yàn)組初始破壞載荷下降了5.0%，極限載荷降低4.7%；沒有捻子條的試驗(yàn)組初始破壞載荷下降了3.1%，極限載荷降低6.5%。事實(shí)上，在R區(qū)損傷之前，含有捻子條的試驗(yàn)組由于初始剛度更高，R區(qū)承載比例更高，因此在初始破壞位移相差不大的情況下，可以達(dá)到更高的破壞載荷，但同時(shí)對(duì)沖擊損傷更敏感；而在膠結(jié)界面大幅脫黏后，捻子條失效，但R區(qū)所產(chǎn)生的損傷更大，因此極限載荷反而低于不含捻子條的試驗(yàn)組。

（3）應(yīng)變信息。圖9（a）所示的是含有捻子條無損傷的試驗(yàn)組（A1組）典型的應(yīng)變-位移曲線，同時(shí)力-位移曲線由黑色點(diǎn)畫線標(biāo)出。左右對(duì)稱分布的應(yīng)變片應(yīng)變值分別用相同顏色的實(shí)線與虛線表示，在初始階段，應(yīng)變值基本保持相等，且隨著加載位移線性增加。理論上無損試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)、材料、載荷均左右對(duì)稱，兩側(cè)承載響應(yīng)應(yīng)完全相同，但實(shí)際上損傷總是從一側(cè)開始。當(dāng)損傷產(chǎn)生時(shí)，結(jié)構(gòu)承受載荷突然下降，圖9（a）中3次明顯的載荷突降均與某一側(cè)應(yīng)變突降完全對(duì)應(yīng)。同時(shí)損傷還帶來結(jié)構(gòu)傳力路徑的改變，包括蒙皮與筋條之間、左側(cè)與右側(cè)之間：由于筋條與膠結(jié)界面損傷而突然掉載時(shí)，筋條上的應(yīng)變片102或103應(yīng)變值下降幅度更大；掉載后，各個(gè)應(yīng)變片應(yīng)變值繼續(xù)增加，但明顯未受損的一側(cè)應(yīng)變隨加載位移增加的速度更快。這意味著損傷使得帽型長桁承擔(dān)載荷的比例降低，從而在相同的位移載荷下，結(jié)構(gòu)整體承受載荷降低。

無捻子條的B1組應(yīng)變曲線如圖9（b）所示。

圖9 應(yīng)變-位移曲線

對(duì)于沖擊損傷的試驗(yàn)組，試驗(yàn)件在受到?jīng)_擊后一側(cè)膠結(jié)界面部分脫黏，損傷將帶來蒙皮與筋條之間、左側(cè)與右側(cè)之間結(jié)構(gòu)傳力路徑的改變，如圖10（a）所示是A1與A2組試驗(yàn)件粘貼在長桁上應(yīng)變片典型的應(yīng)變-載荷曲線的初始線性段，對(duì)比可知，沖后彎試驗(yàn)組左右對(duì)稱分布的應(yīng)變片應(yīng)變值不再相等，且關(guān)于載荷的增長斜率比無損試驗(yàn)組小。這意味著沖擊損傷使得帽型長桁承擔(dān)載荷的比例降低。對(duì)比圖10，顯然有捻子條的試驗(yàn)組在受到?jīng)_擊損傷后帽型長桁降低的承載比例更高，這也解釋了含捻子條試驗(yàn)件初始剛度受脫黏區(qū)域長度影響更大的原因。

3 結(jié) 論

圖10 應(yīng)變-載荷曲線對(duì)比

對(duì)于內(nèi)側(cè)填充捻子條或者膠膜（無捻子條）兩種復(fù)合材料帽型加筋板，首先分別預(yù)制平均脫黏長度相同的沖擊損傷，然后進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并與無損傷的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)照，分析試驗(yàn)件的初始剛度、強(qiáng)度、損傷形式以及應(yīng)變，得出以下結(jié)論：

（1）所設(shè)計(jì)沖擊方案及相關(guān)裝置使加筋板得到較為真實(shí)的損傷模式；彎曲試驗(yàn)裝置也達(dá)到了盡量避免摩擦等無關(guān)因素影響的目的。

（2）為使兩種試驗(yàn)件沖擊損傷的脫黏長度相同，無捻子條的加筋板受到?jīng)_擊能量更高。固定沖擊位置與能量，加筋板在受到?jīng)_擊后脫黏長度仍具有一定的分散度。加筋板的初始剛度與脫黏長度負(fù)相關(guān)，而破壞載荷與脫黏長度關(guān)系不大。

（3）無論是否含有捻子條和沖擊損傷，加筋板在受到四點(diǎn)彎曲后，損傷形式基本相同，主要可以分為三個(gè)階段：R區(qū)分層及擴(kuò)展；R區(qū)表面劈絲；蒙皮與筋條界面膠層脫粘。

（4）無論是否含有捻子條，在受到給定沖擊損傷后，加筋板的抗彎能力均有所下降：其中，抗彎強(qiáng)度下降在5%左右，初始剛度下降幅度超過10%，且沖擊損傷對(duì)含有捻子條的加筋板影響更大。

（5）研究試驗(yàn)所得載荷-位移曲線及試驗(yàn)件破壞模式可以得出：在帽型加強(qiáng)筋R區(qū)填充捻子條改變了加筋板的傳力路徑，膠結(jié)界面內(nèi)側(cè)傳載比例相對(duì)升高，從而提高了加筋板的抗彎剛度和初始破壞載荷，但同時(shí)彎曲性能對(duì)R區(qū)對(duì)應(yīng)位置的沖擊損傷更加敏感。值得注意的是，筋條R區(qū)始終是結(jié)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié)。

·名人名言·

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)理論的源泉，是自然科學(xué)的根本，也是工程技術(shù)的基礎(chǔ)。

——張文裕