CFRP薄壁管件耐撞性能的實驗研究

李景彬

摘要：利用萬能試驗機開展三點彎曲和準靜態軸向壓潰實驗研究了CFRP薄壁管腔結構件的耐撞性能，結果表明準靜態軸向壓潰的比性能率為60～80kJ/kg，破壞形式為花瓣型；而三點彎曲實驗說明管件的側向吸能比較差。管件的軸向與側向初始載荷峰值與厚度成等比例的增長，軸向和側向的比吸能率略有提高；偏薄管件在軸向壓潰過程中易發生局部屈曲，偏厚管件則趨向于穩定壓潰吸能。

關鍵詞：CFRP；耐撞性能；軸向壓潰；三點彎曲

1.引言

碳纖維增強復合材料（Carbon Fibre Reinforced Plastic，CFRP）因其高比強度和比模量等特性作為輕量化材料廣泛應用于航空航天和汽車工業等領域，在航空航天領域的主流應用為吸能和抗沖擊結構，在汽車領域應用則主要是覆蓋件或外包圍件，基于碳纖維增強復合材料的良好耐撞性能，研究人員嘗試將其應用于汽車的吸能結構[1]和車身結構，典型的案例如寶馬的Megacity[2]和荷蘭的SuperBus等。將CFRP材料應用于車身結構是汽車輕量化的新嘗試，其減重效果明顯[3]，但能否滿足汽車車身結構的安全性能要求則有待驗證。安全性能要求則從汽車碰撞的工況出發，分析結構的耐撞性能，而影響車身結構安全性能的碰撞工況主要是滾壓工況和側碰工況，結構件依此分解為軸向壓潰和側向的三點彎曲的力學行為。因此，本文開展了熱壓CFRP薄壁管腔結構件的耐撞性能實驗研究，包括側向三點彎曲實驗和準靜態軸向壓潰實驗，獲得此類構件的軸向和側向比吸能率等參數，研究比較了管壁厚度對構件耐撞性能的影響規律。

2.試件結構

試件為薄壁管腔結構，截面形狀近似為雙帽形，實物如圖1（a）所示，詳細尺寸見圖1（b），其中合邊厚度為2t，管腔壁厚為t，長度l為可變參數，其他參數見表1。樣件由東麗T300平紋機織碳纖維布和EponDPL862環氧樹脂在熱壓工藝下制作而成，固化劑為RSC763芳香胺固化劑。碳纖維管的碳布鋪層均為[0]n，管件軸向為材料主軸（縱軸，1-direction）方向，厚度方向為法向（3-direction）方向，材料橫軸（2-direction）方向由右手螺旋法則確定。軸向壓潰和三點彎曲依鋪層層數和厚度分為3組，每組樣件制備3件。

準靜態軸向壓潰實驗和側向三點彎曲實驗過程如圖2所示，測試設備為新三思5305微機控制電液伺服萬能實驗機，軸向壓潰實驗的壓頭載荷速率為10mm/min，三點彎曲實驗載荷為5mm/min，均為位移控制。微機自動記錄力與位移曲線，使用DV錄制實驗過程，并拍照記錄相關破壞情況。

（a）軸向壓潰實驗 （b）三點彎曲實驗

圖2碳纖維管件耐撞性能實驗

3.實驗結果與分析

樣件實驗結果如圖3所示，（a）為準靜態壓潰實驗的力與位移曲線圖，（b）為側向的三點彎曲結果，相應的耐撞性能參數見表2和表3。由表中數據可知，對于準靜態軸向壓潰，CFRP薄壁管件的比吸能率在60～80kJ/kg，比吸能率也隨厚度逐漸增大，單位厚度遞增量則逐漸減小，初始峰值載荷與厚度近似線性關系；對側向的三點彎曲，比吸能率遠低于軸向壓潰，基本都在10kJ/kg以下，比吸能率和初始峰值載荷與厚度的關系類似于軸向壓潰。

碳纖維管件的軸向吸能原理主要是通過類似于歐拉屈曲的管件斷裂和材料的粉化吸能。以六層碳布管件為例，在初始接觸時，管件端部發生屈曲現象，然后管件端部在倒角處開裂，層合材料開始向內外卷曲，成花瓣型（splaying）的破壞，壓潰行程加深，材料逐漸斷裂和不斷粉化，漸進壓潰至管件不再有壓縮空間，見圖4（a），反應在力與位移曲線上則為典型的漸進性壓潰的特征；圖（b）為部分三層碳布樣件的壓潰結果，可以明顯看出壓潰過程中出現局部屈曲，導致管壁形成塊狀斷裂，異于偏厚管件的卷曲破壞形式，曲線上通常表現為力偏小且有明顯下降，導致吸能減少。

（a）六層碳布破壞形式（花瓣型） （b）三層碳布破壞形式（有局部屈曲）

圖4 CFRP薄壁管件軸向壓潰的破壞形式

圖5 CFRP薄壁管件三點彎曲的破壞形式

碳纖維管件的側向吸能主要依靠管件在壓頭作用線下的材料斷裂吸能，即環管壁斷裂線的基體和纖維斷裂吸能，如圖5所示。由于三點彎曲破壞形式簡單明確，厚度對此破壞形式沒有表現出明顯差異。

4.結論

通過對CFRP薄壁管件的開展準靜態軸向壓潰實驗和側向三點彎曲實驗，獲得樣件的耐撞性能，軸向比吸能率在60～80kJ/kg，側向比吸能率在10kJ/kg以下；厚度顯著影響樣件的耐撞性能參數，表現出隨厚度增大而增大的趨勢，并且厚度導致軸向破壞形式差異，偏薄管件易發生局部屈曲，降低管件吸能能力，偏厚管件則為典型漸進壓潰和花瓣型破壞形式，但對三點彎曲破壞形式的影響可以忽略不計。

參考文獻：

[1]L. Greve， A.K. Pickett， F. Payen. Experimental testing and phenomenological modelling of the fragmentation process of braided carbon/epoxy composite tubes under axial and oblique impact[J]. Composites： Part B， 2008（39）：1221–1232

[2]Jacob A. BMW counts on carbon fibre for its Megacity Vehicle[J]. Reinforced Plastics，2010（54）：38-41.

[3]Qiang Liu；Huanlin Xing；Yang Ju；Zhengyan Ou；Qing Li. Quasi-static axial crushing and transverse bending of double hat shaped CFRP tubes[J]. Composite Structures，2014（117）：1-11