纖維纏繞角度對CFRP-Al混合圓管橫向受載性能影響

孫佳睿 馬其華， 甘學輝 孫澤玉

（1 上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

（2 纖維材料改性國家重點實驗室（東華大學），上海 201620）

文 摘 基于準靜態橫向彎曲試驗對纏繞工藝下制備的CFRP／Al混合圓管進行抗彎性能和吸能特性研究，分析了混合圓管的破壞模式，基于不同纖維纏繞角度的碳纖維復合材料-鋁合金混合圓管三點彎曲試驗結果，通過有限元仿真方法研究了內層纖維纏繞角度對其橫向抗彎與吸能特性的影響。試驗結果表明，CFRP-Al混合圓管橫向載荷下的失效形式、損傷模式與純鋁管基本保持一致，但受纖維纏繞角度的影響失效形貌略有差異。纖維纏繞角度越小，CFRP-Al混合圓管的抗彎性能和吸能性越好，同時壓潰效率（CFE）明顯降低?；隍炞C的有限元模型，研究不同角度纖維纏繞內層對于表層纖維層的應力傳遞影響，小角度纏繞內層對于管件的軸向拉伸變形抑制增加了管件整體峰值載荷與吸能作用，大角度纏繞內層對于管件環向剛度的提升增加了整體壓潰效率。依此分析可為合理設計CFRP-Al混合管提供有效依據。

0 引言

薄壁構件作為典型的緩沖吸能結構，廣泛應用于航空、汽車等交通領域中。碳纖維增強復合材料（CFRP）具有質輕、比強度高和比模量高等特點已成為飛行器的重要組成材料。但CFRP在極限載荷條件下的失效復雜、不穩定，易受結構的幾何形狀［1］、觸發機制［2］、加載方式［3］以及鋪層設計［4］等諸多因素影響。而鋁合金具有良好的延展性，失效模式穩定，為保證結構的可靠性，采用CFRP與鋁合金相結合制成的結構件，兼顧金屬性能穩定、CFRP材料輕量化等特點，同時通過金屬成熟的連接工藝解決了CFRP構件連接困難的問題，因此兼具兩者優點的混合結構具有廣泛的應用前景。

目前，復合材料／金屬混合結構的GLARE板的國內外研究已比較全面［5-7］，而薄壁管件作為交通運輸工具中主要吸能緩沖裝置［8］，其混合結構的研究尚處于起步階段，國內外研究人員從試驗和仿真方面分析了軸向方向下混合管的準靜態和沖擊下吸能特性與觸發機制、結構幾何參數以及復合材料設計工藝的關系［9-13］。而在飛機事故中，主要是受到側面的墜撞破壞，對其進行側向適墜性設計可以保護乘客的安全［14］。目前在混合結構薄壁管件在橫向受載下的研究方面較少［15-16］，因此研究混合薄壁管件在橫向載荷下的失效模式與吸能機理意義重大。

本文基于準靜態橫向彎曲試驗對纏繞工藝下制備的CFRP／Al混合圓管進行抗彎性能和吸能特性研究，分析了混合圓管的破壞模式，通過有限元模型分析CFRP內外層應力對結構的影響，討論了不同纖維纏繞角度對CFRP／Al混合圓管力學性能和吸能特性的影響。

1 實驗

1.1 試件

1.1.1 原材料

AA6063T6鋁合金；T700-12K碳纖維，日本東麗株式會社；BAC172環氧樹脂，浙江百合航太有限公司。原材料性能見表1。

表1 A l6063T6和T700／BAC172的材料性能Tab.1 Material properties of the T700／BAC172 and Al6063T6

1.1.2 制備工藝

在進行纏繞之前，鋁圓管的外表面使用砂紙打磨拋光來提高CFRP／Al混合管中Al和CFRP之間的結合強度。將打磨后的鋁管浸泡在丙酮中進行清洗，去除表面雜物。通過圖1所示的濕法纏繞工藝將CFRP預浸料帶纏繞在清洗后的鋁管上，θ為纏繞角，其中0°為沿管的軸向方向。將纏繞好的混合管用真空袋密封好放置于烘箱中固化成型。以預浸料中過量的樹脂作為膠黏劑，實現CFRP和鋁管之間的粘結。

圖1 CFRP／Al混雜管的制備Fig.1 Manufacture of CFRP／Al hybrid tube

1.1.3 試件尺寸

鋁管管長300 mm、外徑38 mm及壁厚1.5 mm?？紤]到纏繞工藝及本纏繞機特點，確定27°／-27°為工藝可靠最小纏繞角。故設計了四種外徑均為41mm，碳纖維復合材料纏繞6層的混合管，其詳細幾何參數尺寸見表2。

表2 樣件的幾何參數Tab.2 Geometric parameters of specimens

1.2 準靜態三點彎試驗

CFRP／Al混合管式樣的三點彎試驗如圖2所示，采用最大配載為100 kN的LD26.10萬能試驗機進行準靜態三點彎試驗，整個試驗過程中加載輥的加載速率為10 mm／min，設置每個樣件的最終加載位移為50mm。試驗機的數據采集系統同步記錄載荷-位移曲線，并計算得到所需的評價性能指標。

圖2 CFRP／Al混合管三點彎曲試驗示意圖Fig.2 Schematic of three point bending test for CFRP／Al hybrid tube

1.3 性能評價指標

分別以總吸收能量（EA）、載荷峰值（pmax）、平均載荷（pmean）、壓潰效率（CFE）和比吸能（SEA）對比評價不同混合管受載結果。其中：

EA測量的是加載過程中結構吸收的總應變能，其計算公式如下：

式中，F（x）為瞬時加載力，d為加載位移。

pmax可以從曲線中直接得到，平均載荷pmean計算如下：

CFE用來測量加載力的均勻性，是平均載荷和載荷峰值的比值，如下

SEA是單位質量吸收的能量，用來評估結構的能量吸收的質量效率，其公式如下：

式中，m為樣件的質量，顯然較高的比吸能表明該結構具有較高的能量吸收效率。

2 結果與討論

2.1 不同薄壁混合管的失效變形模式

CFRP／Al混合管的試驗跨距與混合管的外徑比值約為6.03（大于5），滿足準純彎曲條件，可忽略剪切應力的影響。

金屬管在橫向受載作用下的兩種失效模式［17］：一種是塑性鉸形成的穩定塌陷模式，一種是在拉伸側具有裂紋擴展的不穩定塌陷模式，斷裂模式取決于彈性模量、屈服強度和梁壁厚的幾何參數。由于鋁管的徑厚比在為25.33（大于20），屬于穩定塌陷模式的范圍內。薄壁鋁圓管的三點彎穩定塌陷變形模式主要分3個階段：壓入階段、壓入彎曲階段和結構塌陷。如圖3所示，鋁管和混合管的載荷-位移曲線對比可知，兩者受載過程大體一致。第一階段的線彈性階段，由于纖維增強層的加強作用，材料的彈性模量明顯提升，混合管的承載性明顯高于鋁管。第二階段的塑性屈曲階段，可以看出纏繞層不僅增強了管件的屈曲極限載荷，并使屈曲破壞得到了延遲。這一結果表明纏繞纖維層對于原鋁管的塑性增強作用非常明顯，峰值載荷提升了128%。第三階段的持續壓潰過程，由于內部鋁管的塑性變形導致外層纖維形成漸進性失效，抑制了鋁管塑性鉸的形成，使得載荷下降緩慢，形成了更高的承載能力。

圖3 鋁管和混合管載荷位移曲線Fig.3 Load displacement curves of Al tube and hybrid tube

從兩種管最終的失效模式（圖4）可以看出混合管表層的纖維損傷對于內部鋁管層的承載性的增強作用，鋁管結構的橫向受載變形較混合管更為明顯。

圖4 鋁管和混合管損傷形式對比Fig.4 Damage form of Al tube and hybrid tube

混合管在橫向載荷作用下，兩種不同的變形行為如圖5所示。一種是外部復合材料層直接受壓縮載荷作用產生變形，其變形受金屬塑性變形影響而受到限制，此時復合材料不會斷裂且與鋁管共同承受橫向載荷吸收能量；另外一種情況則是受橫向載荷的作用，在管件背面部分，外部復合材料層因拉伸載荷進而發生斷裂，此時復合材料不再承受載荷和能量吸收，只由鋁層吸收。由于CFRP層抗變形能力突出，因而混合管件在橫向載荷作用下的吸能性顯著提高，同時不同復合材料層對于管件整體性能的影響存在差異。

圖5 混合管受力示意圖Fig.5 Schematic diagram of the CFRP-AL tube

圖6為4種纏繞方式混合管的受拉面損傷對比結果。可以看出，混合管表面破壞形貌主要為表層的纖維剝離和纖維之間的基體開裂，而表面受拉伸作用下CFRP產生裂紋，且裂紋方向沿內部纖維纏繞角度（27°、45°、75°和90°）的方向產生并擴展。由于在橫向載荷作用下，復合材料下表面受張力作用，當內外層均為90°層受拉時，復合材料軸向上基體為主體易發生開裂，導致整體性能提升不大。而隨著內層纏繞角度逐漸減小，纖維逐漸成為主要受載主體，且由于纖維拉伸性能明顯強于基體的作用，內層不易破壞，大大提高了混合管的性能，所受載荷沿纖維方向分配，從而使得外層纖維的裂紋沿著內層纖維方向擴展。

圖6 不同纏繞角度下混合管的破壞模式Fig.6 Failuremode of hybrid tubeswith differentwinding angle

2.2 纏繞角度對吸能特性的影響

不同纏繞角度對混合管抗彎性能的影響規律如圖7所示。可知，A15C6S27峰值載荷最大，為9 383.1 N。隨著纏繞角度的增大，抗彎載荷在降低，但峰值過后載荷下降的趨勢在減緩，說明纏繞角度的增大阻滯混合管變形的能力提高但所承受的載荷不高。其中［75°／-75°／90°］和［90°／90°／90°］的抗彎載荷相當，也表明75°后的大角度抗彎性能無明顯變化。

圖7 CFRP／Al混合管的載荷位移曲線Fig.7 Load displacement curves of CFRP／Al hybrid tubes

由圖7曲線計算得到了各圓管吸能評價指標如表3所示。隨著纏繞角度的減小，總吸收能量逐漸增大。其中A15C6S27的總吸能值最大為362.8 J。考慮到管件的幾何參數（壁厚和質量）的影響，采用比吸能（SEA）評價結構的能量吸收效率。對比各混合管與鋁管的比吸能，其中鋁管的比吸能為1.13 J／g，與之相比，混合管的能量吸收效率提高明顯。而隨著CFRP纏繞角度的增大，導致CFRP／Al混合圓管的比吸能成下降趨勢，而在［90°／90°／90°］纏繞下的混合管部分SEA值略高與［75°／-75°／90°］纏繞角，是因為［90°］3的抗變形能力最好，載荷下降趨勢最慢，故平均載荷略高于［75°／-75°／90°］纏繞時的平均載荷。通過比較可知A15C6S27的比吸能最高為1.55 J／g，比原來的基礎管提高了37.96%。

當纖維和基體斷裂時，剩余的沖擊能量被重新分配到未損壞的CFRP層進行吸收。當纏繞角度變小時，纖維逐漸沿軸向受拉，此時纖維為主體承受載荷，且抗彎和抗壓強度增大，故吸收能量增大，比吸能增加。

比較不同纏繞角度下的混合管CFE的分布。高CFE值意味著峰值載荷和平均載荷之間的差別很小，當CFE很高時，承載結構抗變形能力越好，保護作用明顯。從圖中可知大致趨勢是纏繞角度的增大，混合管抗 彎 的CFE值 在 增 大。而［27°／-27°／90°］和［45°／-45°／90°］纏繞的混合管的CFE較低是由于其峰值載荷的明顯上升，盡管如此CFE值也與基礎管相差無幾，提供了良好的抗撞性。［75°／-75°／90°］和［90°／90°／90°］下的混合管CFE高是由于纏繞角度增大，環向剛度增加，彎曲變形造成的圓截面扁化得到抑制，抗變形能力提高，避免了抗彎剛度迅速降低，載荷下降趨勢緩慢使得平均載荷和峰值載荷之差較小。其中A15C6S90的CFE值最高為86.1%。

表3 混合薄壁管的力學評價指標Tab.3 Evaluation index of specimens

3 數值模擬

3.1 有限元模型與失效判據

為對不同纏繞層在橫向載荷下的應力傳遞過程進行分析，采用ABAQUS／Explicit軟件對CFRP／AL混合圓管橫向受載試驗進行有限元模擬，所建模型如圖8所示。鋁管部分網格采用solid單元（C3D8I），CFRP部分劃分6層，每層厚度為0.25mm，采用Continuum Shell單元（SC8R），網格大小為1.5 mm×1.5 mm，共劃分113 400個網格。當單元達到完全失效狀態時，對單元進行失效刪除。加載輥和支輥為剛性體設置，接觸為通用接觸，由于支輥為滾軸支輥，所以接觸的摩擦因數范圍為0.001～0.005，邊界設置為支輥固定，加載輥設置加載速度為10 mm／s。

圖8 CFRP／Al混合管有限元模型Fig.8 Finite elementmodel of CFRP／Al hybrid tube

模型采用ABAQUS中內嵌二維Hashin失效準則對CFRP在彎曲過程中的損傷失效狀態進行描述，對復合材料的4種失效模式如下：

試中，σ11、σ22為不同方向上的主應力，11表示縱向（平行于纖維方向），22表示橫向（垂直于纖維方向），τ12為切應力，12表示剪切方向；XT為縱向拉伸強度；XC為縱向抗壓強度；YT為橫向拉伸強度；YC為橫向抗壓強度；SL為縱向剪切強度，其相關性能參數見表4。當上述任一等式成立時，即開始出現相應類型的損傷。采用二維Hashin失效準則可以直觀的觀察到纖維和基體的損傷狀態，便于對混合結構的損傷失效機理進行分析。

表4 CFRP材料力學性能Tab.4 Material properties of the CFRP

3.2 仿真結果分析

鑒于內層75°和90°混合管的抗彎特性接近，只以A15C6S27、A15C6S45和A15C6S90 3種樣件為對象，建立仿真模型，得到了如圖9中的各混合管仿真與試驗的載荷-位移對比結果。可以看出，3種樣件的仿真與試驗結果接近，載荷變化趨勢相同，可以利用仿真結果對混合管的變形模式與吸能機理做深入分析。

圖9 CFRP／Al混合管的仿真與試驗載荷位移曲線對比Fig.9 Load displacement curves of experiment and FEA of CFRP／Al hybrid tube

為分析不同纏繞角度對于混合管抗彎性能的影響，在線彈性變形階段提取了3種樣件加載位移在2 mm處的CFRP最外層和與鋁管接觸的最內層的Von-Mises應力分布（圖10）?？梢钥闯鲇捎趦葘永p繞角度的不同，表層均為90°纏繞下其內層應力分布明顯不同，內層應力方向沿著纖維角度的設置方向分布，通過層間的傳遞作用，在相同加載位移下對外層90°纖維的變形起到了抑制作用，彎曲變形造成的圓截面扁化得到抑制，表現為壓潰效率的明顯提升。隨著內層纖維纏繞角度的進一步增大，外層應力也逐漸增大。

圖10 混合管在加載位移2mm處的應力分布Fig.10 von-Mises stress distribution at a loading nose displacement of 2.0 mm around the contact region

4 結論

在準靜態彎曲試驗下，研究了纖維纏繞角度對CFRP纏繞薄壁鋁圓管的橫向壓潰性能的影響，得到以下結論：

（1）基于三點彎曲試驗，各纏繞角度下的CFRPAl混合圓管的失效歷程與Al管基本保持一致。纖維纏繞增強層在管件正背面受壓拉的變形有效地抑制了鋁管的塑性變形，混合管屈服極限、比吸能明顯提升。橫向載荷作用下，混合管受拉面復合材料層破壞形式與纖維纏繞角度密切相關。

（2）采用有限元分析的方法，分析了線彈性階段不同角度纏繞內層對于表層應力分布的影響。內層應力分布方向與纖維角度的設置一致，隨著內層纖維角度的減小使得最外層承受的應力減小，表明小角度纏繞內層對于增強管件抗彎性能提高明顯。

（3）纖維纏繞角度對混合管抗彎性能和吸能特性的影響顯著。纖維纏繞角度越小，抗彎峰值載荷越高，比吸能更好，而隨著角度的增加，混合管結構塌陷階段載荷下降緩慢，環向剛度下降減緩，彎曲變形的抑制作用提高結構壓潰效率提高?？紤]到抗變形與吸能的雙重要求。纏繞型CFRP-Al管應采用多角度混合設計方式。