玻璃纖維增強復合板在水中沖擊載荷下的響應與破壞研究

項大林,謝志豐,郭 振,肖士利,榮吉利

(1.北京宇航系統工程研究所， 北京 100076； 2.北京理工大學 宇航學院， 北京 100081)

玻璃纖維增強復合材料(GFRP)，作為一種非金屬材料，具有很高的比強度和比模量，在水雷的制造中得到廣泛應用，使得魚雷重量大大降低。在戰場環境下，這些復合材料，除了要承受工作狀態下的各類載荷，還要面臨著水中爆炸及撞擊載荷的巨大威脅。因此，開展研究玻璃纖維增強復合材料在的爆炸沖擊載荷下的響應與破壞，顯得十分必要。

數值仿真雖然能很好的模擬復合材料在爆炸載荷下的響應行為，但往往缺少驗證[1]。一種爆炸激波管裝置[2-4]，通過引爆小當量TNT產生水中沖擊波載荷，可實現對纖維增強材料的水中沖擊加載。相關研究發現，纖維斷裂、基體開裂以及整體分層破壞與水中沖擊載荷的強度有著密切聯系[5]。該裝置由于依賴對炸藥的使用，實驗過程存在一定的危險性。Tran等[6]采用了一種非藥式等效水中爆炸沖擊加載實驗裝置，對纖維增強復合材料開展了沖擊毀傷實驗與數值分析。Wei等[7]采用類似方法，研究了GFRP與PVC泡沫構成的夾芯板的水中沖擊，指出夾芯板的動態響應過程中應變率效應十分明顯，而且泡沫芯層能有效改善夾芯板的性能，尤其在后面板的沖量與維持整體剛度方面。

上述工作，豐富了復合材料動力學響應與毀傷研究，但相關實驗數據仍然較為匱乏。本文利用等效中下爆炸沖擊加載實驗裝置[8-9]，基于3D動態DIC測量方法[10-12]，針對某GFRP開展了水中沖擊，得到了GFRP板的動力學響應過程與永久破壞模式。

1 等效水中爆炸沖擊加載實驗裝置

等效水中爆炸沖擊加載實驗裝置[8,13]原理示意圖如圖1，裝置的核心部件是一個內部為圓錐形空腔的水靶艙。水靶艙側壁有兩個壓力傳感器安裝口，用于安裝壓力傳感器采集沖擊波壓力。采用一級輕氣炮驅動并加速飛片，使之撞擊活塞(活塞和飛片均為鋼)，撞擊產生的彈性波傳入水靶艙內的水中，形成沖擊波載荷并最終作用在靶板上。某一位置的水中沖擊波壓力峰值pmi與載荷沖量Imi可通過下式計算獲得：

pmi=V0(D/Di)[sf/(s+f)]

(1)

Imi=pmiθ0

(2)

其中，V0為飛片撞擊速度；D與Di分別為活塞直徑與某位置的腔體直徑；s與f分別為活塞與水的聲阻抗；θ0為沖擊波初始衰減時間常數：

θ0=-(2h/c)ln[(s-f)/(s+f)]

(3)

其中，h為活塞厚度，c為活塞中聲速。

圖1 水中沖擊加載裝置原理示意圖

2 靶板樣品

靶板為某高強玻璃纖維/環氧樹脂復合材料，主要用于制作某水雷外殼殼體，基體為環氧樹脂，玻璃纖維與樹脂按照4∶6之比制作。制成后，靶板厚度約為3 mm。為了利用DIC方法測量GFRP板的實時變形，需要制作散斑場，如圖2所示。

圖2 GFRP板及其表面散斑場

3 3D動態DIC測量系統

基于DIC方法，結合等效水中爆炸沖擊加載實驗裝置，搭建的3D動態DIC測量系統，如圖3所示。兩部高速攝影機成一定夾角，放置在靶板后側約1.5 m處，調節攝影機處于水平并垂直于靶板。實驗前采用標定板進行標定[3]，設置相機拍攝速率為50 000幀/s。在一級輕氣炮出口處安裝的觸發傳感器，實現對飛片撞擊速度的測量以及壓電傳感器和高速相機的同步觸發。

圖3 3D動態DIC測量系統

4 實驗結果與分析

4.1 動態響應

利用CSI公司研發的VIC-3D數字圖像處理軟件，處理計算實時散斑場。

圖4是水下沖擊載荷(I0=2.759 kPa·s)作用下GFRP靶板的典型毀傷過程。從圖4中可明顯觀察到，在t=40 μs時，水靶艙內水中沖擊波波陣面達到GFRP靶板，靶板開始產生變形。在響應初期GFRP靶板的變形形態與簡單鋁板的響應基本一致[10]，變形場也是由約束邊界向中心呈現環形擴展的，靶板干表面的離面位移場在受載前期是逐漸增大的，如圖4(a)～(d)。但是隨著時間的推移，如圖4(d)～(e)所示，最大離面位移從14.3 mm降為13.95 mm之后增加到19.5 mm，然后降至16.2 mm再增至19.55 mm，離面位移場呈現出十分明顯的振蕩現象，這極有可能是GFRP內部損傷，即基體層裂、纖維界面脫粘以及纖維斷裂等因素造成的。當最大離面位移達到18.25 mm后，面內主應變約為0.017 2，GFRP靶板中心位置出現散斑脫落現象，在響應的最后階段，如圖4(m)～(q)，在法蘭約束位置，GFRP板被剪斷撕裂，但是沒有明顯的裂紋產生，靶板約束邊界處局部被完全撕裂，之后CFRP靶板開始回彈，裂紋閉合，如圖4(r)～(t)。

圖4 水下沖擊載荷(V0=157.8 m/s，p0=41.94 MPa)作用下GFRP的典型毀傷過程

4.2 破壞模式

圖5是裝配條件下GFRP在邊界處的最終破壞形態，雖然GFRP靶板在法蘭約束邊界處存在剪裂毀傷情況，但在剪裂終端并沒有明顯的朝向靶板中心區域擴展的裂紋，并且干表面不存在明顯的層裂等損傷特征。

圖6是不同強度沖擊載荷作用下GFRP靶板的毀傷情況，隨著沖擊載荷的增加，材料的損傷分別呈現出：

1) 如圖6(a)與圖6 (b)，在濕表面(受沖擊面)約束邊界附近，GFRP靶板內部出現嚴重的層裂損傷(顏色較淺部位)，并且載荷越大，層裂區域越明顯，范圍也越大；

2) 如圖6(c)，在較強沖擊載荷作用下，沿法蘭約束邊界處，濕表面局部被完全剪切斷裂，且存在較小的層裂區域，四個呈“十”字對稱的螺栓孔處出現裂紋。可以預見沖擊載荷強度繼續增大，受載區域沿約束邊界位置極有可能完全剪裂。

圖6(c)中(c.4)反映出濕表面剪裂處有大量纖維被拔出，這是由于法蘭沿厚度方向剪切了一部分材料后，靶板整體變形，剪裂帶將受到彎矩載荷致使材料被撕裂，這時纖維將會從基體中被剪斷、拔出。從圖6(c)中(c.6)反映出干表面剪裂終端玻璃纖維的拉伸破壞情況，有一定數量的纖維被拔出；圖6(c)中(c.7)可以看出，邊界的剪切斷裂處的斷口比較平整，出現了分層的趨勢。

圖5 GFRP靶板在邊界處的毀傷形態

圖6 不同沖擊載荷作用下，GFRP的毀傷模式

5 結論

GFRP板在水中沖擊載荷作用下，干表面的離面位移場表現出顯著的振蕩現象，實際是GFRP板的內部損傷，即基體層裂、纖維界面脫粘以及纖維斷裂等損傷的宏觀表現。

在本文3種典型強度的沖擊加載條件下：低強度沖擊時，GFRP板受載中心的變形宏觀上呈現出線彈性，但約束邊界處的材料內部層裂損傷顯著；高強度沖擊時，GFRP板很容易在約束邊界出現剪裂撕裂破壞，斷口截面平整且出現層裂損傷。