混雜方式對CF/GF/環(huán)氧混雜復合材料低速沖擊性能的影響

趙士成，王振清，郭建明，楊斌

(哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

混雜復合材料是指2種或2種以上的纖維增強同一種樹脂基體而構成的復合材料［1］。與傳統(tǒng)增強纖維相比，碳纖維具有高強度、高模量等特性。然而，碳纖維作為增強纖維的沖擊韌性相對于其他纖維(如玻璃纖維)增強復合材料低得多［2］。與玻璃纖維的混雜，可以優(yōu)勢互補，從而使得到的復合材料具有較佳的綜合性能。

國內外學者對環(huán)氧樹脂基混雜復合材料的研究開展不久［3－6］。國外也有很多學者開始對混雜復合材料層合板的沖擊性能做了研究［7－9］。但目前對碳纖維和玻璃纖維共同增強環(huán)氧樹脂基復合材料的低速沖擊性能的研究還很少。本文采用ABAQUS有限元軟件低速沖擊載荷下的相應情況進行了仿真。自20世紀90年代以后，漸進損傷破壞分析理論發(fā)展起來，結合剛度退化理論，為預測層合板各種損傷的起始和發(fā)展提供了一個較好的方法和途徑［10－13］。因此，本文編寫了用戶材料子程序VUMAT，并且基于表面內聚力方法，考慮纖維界面的分層破壞，建立了混雜玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂低速沖擊的數值模型，模擬了混雜層合板在落錘低速沖擊下能量吸收、變形以及錘頭接觸力的變化。同時，對鋪層形式對CF/GF/環(huán)氧混雜復合材料的影響進行了分析。

1 基本理論

1.1 材料逐漸累積損傷分析模型

采用復合材料的三維Hashin失效準則編寫了用于顯式計算的VUMAT用戶子程序。該失效準則綜合考慮了材料在破壞時X、Y、Z這3個方向的拉伸和壓縮失效。圖1給出了復合材料的三維受力示意圖，即是在計算時考慮單元受到的正應力及剪切應力。

圖1 單向層合板受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of stress in composite laminates

具體的失效判據如下，認為當3個方向的判定系數大于1時材料即失效:

X向拉壓(纖維拉壓破壞):

Y向拉壓(基體斷裂與屈曲):

Z向拉壓(分層與壓縮):

1.2 單元剛度衰減方案

當單元受到的應力滿足式(1)～(6)中的材料3個方向的系數任意一個時即認為單元失效。對于失效的單元，Hashin認為不可直接將其刪除，而是認為單元的各剛度參數在一定程度上衰減，本文采用表1［14］中列出的剛度衰減方案進行計算。

表1 失效單元的剛度衰減方案Table 1 Stiffness reduction methods of failure elements

1.3 材料參數及層合板鋪層形式

本文分別選取碳纖維和玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂層合板的三維力學參數進行計算。層合板的彈性參數其強度在表2、3［15］中給出，沖頭的力學參數如下:E=210 GPa，μ=0.3，ρ=8 859 kg/m3。

表2 不同纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的彈性參數Table 2 Elastic parameters of different fiber reinforced epoxy composites GPa

表3 不同纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的強度參數Table 3 Strength of different fiber reinforced epoxy composites MPa

1.4 有限元建模

實際沖擊過程中，沖頭的剛度與被沖擊件相比要大很多，因此，在仿真時可以將沖頭看做剛體。本文在通用有限元軟件ABAQUS/Expolicit的基礎上，進行了混雜復合材料低速沖擊作用下的動態(tài)響應分析。層合板直徑80 mm，四周全約束，沖頭直徑12 mm，速度5 m/s，可以計算出系統(tǒng)初始動能為20 J。為了滿足強度要求，混雜層合板中玻璃纖維層不大于4層。因此，仿真過程中按照表5的不同混雜方式共建立了5種有限元模型，單層厚度0.192 mm，鋪層角度為復合材料層合板在低速低能沖擊下的損傷破壞模型表現(xiàn)為基體開裂、基體擠壓、纖維斷裂、分層。而在這些破壞形式中，分層損傷使復合材料的強度和壽命大幅下降，嚴重影響材料的使用。本文通過在每層復合材料的層間加入基于表面內聚力行為單元，用于模擬界面分層擴展。基于表面內聚力行為單元的本質是在材料之間加入與內聚力單元方法相似的牽引分離本構模型。同常用的裂紋分析方法相比(如內聚力單元方法)，該方法的優(yōu)勢在于不用像內聚力方法那樣在界面處插入內聚力單元，從而避免了內聚力單元的存在和單元極度扭曲，提高了計算的收斂性。為提高計算精度，將與沖頭接觸的層合板網格細化，所建立的有限元模型如圖2所示。

表4 GF/CF/環(huán)氧復合材料混雜鋪層形式Table 4 Layer form of GF/CF/Epoxy hybrid composites

圖2 有限元模型Fig.2 The finite element model

2 結果與討論

2.1 臨界穿透能

層合板的臨界穿透能是衡量材料抵御沖擊能力的重要指標，它定義為材料剛好被完全穿透時所需要的沖擊能量。本文通過對5種不同形式的層合板進行計算，所得到的接觸力－變形，能量－時間曲線如圖3所示。

圖3 5種層合板的接觸力－變形，能量－時間曲線Fig.3 Contact force-displacement and energy-time curves of different specimens

通過圖3可以看出，隨著玻璃纖維布鋪設位置的不同，試件承受沖擊載荷時的接觸力－變形曲線和能量－時間曲線有很大不同。從能量－時間曲線上可以看出，沖擊能量隨著接觸時間增加而減小，當接觸時間為2.41 ms時，沖頭的沖擊動能衰減到0。而此時，通過比較圖4中所列的層合板破壞形式，第1種材料剛好開始出現(xiàn)破壞，沖頭剛好能夠穿透層合板。說明對于第1種復合材料層合板來說，20 J的沖擊動能即為其臨界穿透能。從接觸力－變形曲線來說，層合板中沒有玻璃纖維層存在時，接觸力－變形曲線幾乎閉合，說明沖擊過程中20 J的沖擊能量由材料幾乎完全吸收。然而，當添加玻璃纖維以后，接觸力－變形曲線呈現(xiàn)出半封閉狀態(tài)，沖頭沒有完全穿透層合板，說明材料還可以通過進一步的變形來吸收較多的沖擊動能，從而來提高材料的抗沖擊能力。

混雜復合材料臨界穿透能的提高可以歸因于玻璃纖維的存在。眾所周知，玻璃纖維的韌性要比碳纖維高很多，因此，混雜復合材料在承受沖擊載荷時，材料變形增加，材料通過大變形與沖頭的接觸時間變長，從而接觸力與變形圍成曲線的面積增加，宏觀上表現(xiàn)為混雜復合材料抗沖擊性能的提升。

圖4 沖頭能量衰減為0時層合板形狀(t=2.41 ms)Fig.4 Shape of the laminates when the impact energy decline to zero(t=2.41 ms)

2.2 玻璃纖維鋪層位置對混雜復合材料沖擊性能的影響

圖5為5種不同形式的層合板在沖擊能量降為0時的破壞形貌。整體來看，隨著玻璃纖維層的鋪設位置靠近上下表面，層合板的破壞面積逐漸減小，說明玻璃纖維的存在對提升材料抗沖擊能力發(fā)揮了很大的作用。圖6為層合板破壞后的橫觀形貌，可以看出，未添加玻璃纖維的層合板完全被穿透，而添加玻璃纖維層的復合材料完整性較好，沖擊韌性提升。

圖5 層合板沖擊破壞面積Fig.5 Areas of composite laminates after impact damage

圖6 不同形式的層合板破壞后的斷口形貌Fig.6 Damage morphology of different composites laminates

由圖6可以看出，沖擊性能的大小順序為形式5＞形式4＞形式3＞形式2＞形式1。碳纖維在承受沖擊載荷時表現(xiàn)出的特點是斷裂伸長低，在承受很高應力時伸長也很小。作為復合材料的增強材料，伸長小，意味著沖擊性能差。當玻璃纖維與碳纖維混雜后，2種纖維之間的相互作用對混雜復合材料的變形產生很大的影響。隨著玻璃纖維的加入，由于玻璃纖維增強復合材料的強度低但韌性好，從而導致沖擊破壞引發(fā)能的減小，混雜層合板吸收的能量增加。所以，通過與玻璃纖維混雜，碳纖維增強復合材料沖擊性能提高的實質是提高了材料的沖擊擴展能。

圖7 鋪層形式為［C/G2/C3］S的混雜復合材料各層材料破壞情況Fig.7 Damage morphology of hybrid composite laminates with layer form［C/G2/C3］S

圖7為第5種混雜層合板的各層層合板的沖擊后的破壞形貌。可以看出，4層玻璃纖維受到沖擊載荷后破壞嚴重，較多的單元被刪除。比較而言，上層碳纖維的破壞較下層嚴重，最低層碳纖維只出現(xiàn)較小破壞，從而限制了沖頭完全穿透層合板，提高了材料耐沖擊強度。可以看到，通過靠近上下表層鋪設玻璃纖維能夠很大程度地提升材料整體韌性，這是因為材料在受到沖擊時，玻璃纖維通過斷裂而將大部分沖擊動能吸收，這種斷裂是通過受到沖擊時上表面玻璃纖維的壓縮斷裂和下表面玻璃纖維的拉伸斷裂產生的。然而，當玻璃纖維層位于遠離混雜復合材料表層時，玻璃纖維受到的拉壓載荷小，產生的應變小，纖維不能夠通過斷裂吸收沖擊動能，從而增韌效果不明顯。

3 結論

通過以上對混雜復合材料層合板低速沖擊的有限元分析方法，可以得出以下結論:

2)不同混雜方式的復合材料在承受沖擊載荷時，吸收的能量不同，玻璃纖維靠近層合板表面鋪設時吸收的能量最多。

3)沖擊后的混雜復合材料的破壞面積隨著玻璃纖維鋪層靠近混雜層合板上下表面而減小，當玻璃纖維位于混雜復合材料第2層時，玻璃纖維/碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的沖擊韌性最好，材料整體破壞面積最小。

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