復合材料波紋夾層結構低速沖擊后的剩余彎曲承載能力

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(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2.華中科技大學 船舶與海洋工程學院，武漢 430074)

復合材料夾層結構比強度高、比剛度大，其面板和芯材選材廣泛，可以根據功能需要自由組合，應用廣泛[1]。復合材料夾層結構在遭受低速沖擊載荷作用時，內部易于產生損傷，從而造成結構力學性能的退化，剩余承載能力降低，因此一直受到國內外研究人員的關注[2- 5]。對于復合材料夾層結構在低速沖擊后的壓縮和拉伸性能研究有較多文獻涉及[6- 7]，而針對沖擊后剩余彎曲承載能力的研究少有涉及。但對于船舶與海洋工程結構來說，其剩余彎曲強度則是最為關心的主要因素。為此，通過制備碳纖維復合材料面板和鋁質波紋芯材組成的夾層結構，開展低速沖擊實驗，探討沖擊能量以及沖擊部位對其剩余彎曲承載能力的影響。

1 試樣制備

試樣由碳纖維上下面板和鋁合金波紋芯材組成，見圖1。

圖1 梯形波紋的形狀和制備的波紋夾層結構試件

鋁合金波紋板2A12- T4尺寸為300 mm×96 mm×0.5 mm，力學性能參數見表1。復合材料層合板的原料為單向碳纖維預浸料(T700/3234)，力學性能見表2。復合材料面板的鋪層順序為[0°/90°/0°/90°]s，尺寸為300 mm×96 mm×1 mm。

表1 2A12- T4鋁合金板材的基本力學性能

表2 T700/3234碳纖維預浸料的基本力學性能

2 實驗方法

2.1 沖擊實驗

落錘沖擊實驗機見圖2a)，主要由夾持機構、沖頭和防止二次沖擊的緩沖裝置等組成。夾持機構主要由上下兩塊帶開口的平行鐵塊組成，沖擊過程中試件被固定在氣動夾具里，夾持壓力為0.02 MPa(夾持力遠小于波紋夾芯結構的壓縮強度)。力傳感器通過螺桿連接在橫梁上，另一端連接金屬沖頭，量程為10 kN。

圖2 落錘沖擊實驗及三點彎曲實驗裝置

2.2 三點彎曲實驗

壓載頭與兩端支撐結構的頂部均為半球形，直徑為20 mm，兩端支撐結構間距為200 mm。彎曲實驗的加載速度為1 mm/min，壓載頭的作用位置為遭受正面沖擊的面板。

為比較完善試件與損傷試件在彎曲承載能力上的差異，同時開展完善夾層試件的彎曲承載能力實驗。為了分析不同沖擊位置對彎曲承載能力的影響，分別針對沖擊位置在短邊和長邊的試件進行彎曲承載能力實驗。

2.3 沖頭形狀及沖擊位置

實驗采用半球形沖頭，沖頭直徑為12.0 mm，見圖3。落錘質量為13.2 kg。分別選取波紋的短邊和長邊作為沖擊部位，考慮不同沖擊能量以及同一沖擊能量不同沖擊部位的損傷特性，沖擊能量通過調節落錘的高度來實現。

圖3 沖擊位置示意

3 實驗結果

3.1 沖擊實驗結果

上面板遭受沖擊后的損傷照片及整體沖擊損傷的變形見圖4、5。

圖4 不同沖擊能量下碳纖維上面板損傷照片

圖5 不同沖擊能量時鋁合金波紋夾芯結構的損傷

不同沖擊能量下、沖擊位置在試件短邊時的沖擊力- 時間歷程曲線見圖6a)；沖擊能量為70 J，沖擊位置分別在短邊和長邊時的沖擊力- 時間歷程曲線的比較結果見圖6b)。

從圖6a)可以看出，沖擊力- 時間歷程曲線具有強烈的非線性特征。

1)當沖擊能量小于等于20 J時，沖頭接觸面板，此時面板與芯層共同承受沖擊載荷的作用，直至芯層腹板出現屈曲(見圖5a)、b)、c)所示)，沖擊力達到第一個峰值。芯層發生屈曲后，其承載能力下降，沖擊力略微減小，然后繼續上升，直至達到峰值后開始下降。

2)當沖擊能量大于等于40 J時，由于動力效應的影響，芯層腹板的屈曲載荷有所提升，但由于沖擊能量過大，上面板和芯層很快被穿透(見圖5d)、e))，載荷峰值達到最大，隨之迅速下降。由于在穿透上面板和芯層的過程中，沖頭的動能已經消耗過多，沖頭的剩余速度已經很小，在下行過程中遭受周圍碳纖維和芯材的阻擋，使得力曲線呈現緩慢下降趨勢。

3)當沖擊能量為70 J時，上下面板和鋁合金芯層均被穿透(見圖5e))，力曲線出現第二個明顯的峰值，此峰值載荷也對應著碳纖維面板的承載能力極限值。沖頭穿透下面板之后，由于沖頭受到周圍纖維和芯材的阻擋，其承載能力并不是迅速下降，而呈現緩慢下降的趨勢。

4)圖6b)，與沖擊短邊所測得的力曲線不同的是：沖擊長邊時，力曲線出現3個峰值，其中第一個峰值為碳纖維面板斷裂的極限載荷，與沖擊短邊的第二個峰值(面板斷裂)基本一致；第二個峰值相對于短邊的第一個峰值要大10%，這是因為沖擊長邊時，芯層腹板不會產生屈曲現象(該現象會降低峰值載荷的水平)，而是產生拉伸變形，從而提高了力的峰值，直至芯材斷裂，力曲線下降；接著沖頭觸及到芯材面板和碳纖維面板，載荷繼續上升，直至芯材和碳纖維面板被穿透時載荷下降。

3.2 三點彎曲實驗結果

載荷作用位置分別位于短邊和長邊時的未遭受沖擊的完善結構三點彎曲實驗過程見圖7，采用位移方式加載(見圖7a)、b))。可以看出隨著壓載頭位移的增大，碳纖維面板開始斷裂失效(見圖8a)、b))，而鋁合金芯層則出現不同的失效模式，當短邊受載時，鋁合金芯層腹板向內屈曲；而長邊受載時，芯層腹板向外屈曲。而下面板基本上沒有出現明顯的損傷現象。沖擊能量為70 J的剩余彎曲承載能力實驗結果見圖8c)、d)。

圖7 未損傷試件三點彎曲試驗

圖8 三點彎曲實驗結果

圖9 不同沖擊能量下波紋夾層結構的剩余彎曲承載能力曲線

不同沖擊能量下波紋夾層結構的剩余彎曲承載能力曲線見圖9。由圖9a)可見，當沖擊能量為5 J時，彎曲承載能力降低約21%；當沖擊能量為10 J時，彎曲承載能力降低約34%；隨著沖擊能量繼續增加，其彎曲承載能力基本保持不變。

而載荷作用位置對彎曲承載能力的影響則主要是由于芯層失效模式的差異所致；對于未遭受沖擊的試件，承載能力主要依賴于上下面板，因此彎曲載荷作用位置對其影響極小，其彎曲承載能力基本相同(見圖9b))；一旦試件遭受沖擊載荷而損傷，當沖擊短邊時，由于芯層腹板發生屈曲，造成了芯層腹板彎曲剛度降低，彎曲承載能力下降；而沖擊長邊時，芯層腹板并未發生屈曲失效，而是拉伸破壞，其彎曲剛度降低較小，使得其彎曲承載能力較沖擊短邊時約大28%，而較未損傷結構的承載能地僅減少約13%。

4 結論

1)復合材料波紋夾層結構在未遭受沖擊載荷作用時，其彎曲承載能力大小主要由上下面板提供，一旦遭受沖擊損傷，面板的承載能力迅速下降，試件的剩余承載能力主要依賴于芯層；

2)即使很小的沖擊能量下都會對復合材料面板造成內部損傷，導致面板承載能力的下降，影響整個結構的剩余彎曲承載能力。但是，在復合材料面板承載能力下降后，鋁合金芯層起到主要承載作用，而鋁合金芯層的承載能力與其彎曲剛度有關，沖擊能量的加大并不會對鋁合金芯層的彎曲剛度有較大的影響(鋁合金芯層僅僅只是局部損傷)，因此隨著沖擊能量的增加，整體結構的剩余彎曲承載能力變化極小。但是對于不同沖擊位置，鋁合金芯層的損傷程度不同，因此造成了不同沖擊位置，整體結構的彎曲剩余承載能力變化較大。

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