考慮初始應力的X850/IM+復材板高速沖擊試驗

王計真

中國飛機強度研究所結構沖擊動力學航空科技重點實驗室，陜西 西安 710065

纖維增強復合材料是航空領域的重要材料之一，且得到廣泛應用[1,2]。飛機復合材料結構服役過程中，會遭遇工具墜落、輪胎碎片、碎石、冰雹、飛鳥和武器碎片等的沖擊威脅，導致結構失效破壞，威脅飛機結構和乘員安全。

當前對復合材料沖擊行為的相關研究，主要針對無預載荷情況，而真實飛機結構遭受沖擊時均承受一定載荷。飛機起降過程中，機身底部易遭受跑道碎石沖擊威脅，此時機身底部蒙皮結構承受較大壓縮載荷；飛機檢修時，工具墜落可能砸傷機翼上表面，此時其結構內部存在較大拉伸載荷。20世紀80—90年代，就有學者[3-5]曾預見，靜態分布載荷對民機復合材料結構沖擊影響研究將成為一個熱點。德國宇航中心在該領域進行了大量試驗和數值仿真，認為初始應力效應對結構沖擊損傷有明顯影響，進行復合材料強度評估時必須重視初始應力作用[6,7]。此外，美國AC 20-107B 中指出，在研究復合材料結構意外沖擊時，須考慮實際邊界和載荷約束[8]。

國外相關學者針對預載荷狀態下復合材料結構的沖擊行為已開展了相關試驗，以評估飛機實際沖擊碰撞場景的復合材料強度。參考文獻[9]～參考文獻[12]考慮拉伸初始載荷作用下開展沖擊試驗，參考文獻[10]、參考文獻[13]、參考文獻[14]考慮壓縮初始載荷開展沖擊試驗，得到結論：拉伸初始載荷使復合材料層合板抗彎剛度增大，進而導致沖擊載荷峰值提高、層合板沖擊變形減小；而壓縮載荷則反之。此外壓縮預載荷還可能引起層合板面內屈曲。國內，僅見部分文獻[15,16]開展了預應力復合材料的初步理論建模和數值仿真，得到了類似結論，未見開展相關試驗研究。

本文設計了一種初始應力加載試驗裝置，并針對X850/IM+牌號的復合材料層合結構，采用氣炮法開展初始應力高速沖擊試驗，討論了初始應力類型和大小對結構響應的影響。

1 初始應力沖擊試驗裝置與方法

1.1 初始應力施加設備

面內初始應力施加設備為試驗件提供設計初始應力形式和大小，通過框架四周均布加載螺栓的旋進或旋出，以實現單向或二向初始拉伸、壓縮或剪切的模擬，如圖1 所示。面內加載大小通過應變形式描述，基于螺栓旋進或旋出的圈數換算成螺栓軸向行程（螺紋螺距已知），實現預設應變的加載。

圖1 初始應力施加設備連接關系圖Fig.1 Prestressing device diagram

1.2 高速沖擊試驗裝置

高速沖擊試驗基于空氣炮裝置開展，試驗設備包括氣炮裝置、控制系統、瞄準設備、測速系統以及數據材料處理系統等，圖2為試驗設備框圖，圖3為沖擊試驗原理圖。

圖2 D80氣炮系統設備框圖Fig.2 D80 gas gun diagram

圖3 考慮初始載荷的高速沖擊試驗原理圖Fig.3 High speed impact test diagram under preloading

一個高速攝像機拍攝靶板正面拍攝靶板側面記錄板的變形；另外一臺高速攝像機拍攝鋼彈飛行軌跡，記錄鋼彈飛行姿態。根據實際需要放置背景板和補充光源，提高鋼彈與背景的對比度。

沖擊試驗過程中記錄試驗件沖擊速度、穿透/反射速度、應變數據，并通過C 掃描對層合板沖擊損傷，層合板中心位移采用激光位移傳感器測量，層合板貼片位置如圖4所示。

測速裝置安裝在彈體飛行中途、擋氣屏之后、試驗件之前。在彈體飛行路徑上裝置兩個光幕，測量彈體飛過兩個光幕時間間隔，計算得到入射速度。

完成沖擊試驗后，對層合板進行無損檢測，采用C 掃描，檢測層合板的纖維、基體和分層損傷情況。

圖4 貼片位置Fig.4 Strain gauge attachment position

2 試驗結果分析

2.1 試驗件規劃

層合板試驗件為正方形，尺寸為400mm×400mm×2.1mm；材料牌號為X850/IM+，共18 件，鋪層方式為[45/-45/0/90/45/-45/90/0/-45/45]。

沖擊試驗采用D80氣炮系統，沖擊物為直徑25.4mm的鋼球。沖擊速度分別為40m/s、50m/s 和60m/s。初始應力通過螺栓施加，通過監測應變花的應變數據確定大小；共施加三種初始應力形式，分別為-5000με（壓縮應變5‰）、0和5000με（拉伸應變5‰）。試驗矩陣見表1。

表1 試驗矩陣Table 1 Test matrix

2.2 結果分析

如圖5 所示，為不同初始速度和不同初始應力狀態下的層合板撞擊剩余速度，其中正值表示反彈，負值表示穿透。可看出，隨著沖擊初始速度的增加，沖擊反彈速度在增加至一定狀態后開始降低，直至出現穿透，且傳遞至層合板的能量（層合板破壞耗能和彈性變形儲能）增加。

在同一速度下，施加拉伸初始應力使剩余速度增加，施加壓縮初始應力使剩余速度減小，表明拉伸初始應力提高了層合板的彎曲剛度，而壓縮初始應力降低了層合板彎曲剛度。

在40m/s和50m/s時，該種牌號的復合材料層合板均未被穿透，在60m/s 時，無初始應力的層合板和施加5000με（拉伸應變5‰）的層合板出現穿透，而施加-5000με（壓縮應變5‰）的層合板未穿透并反彈。可以推測，高速橫向沖擊過程，層合板面內為拉伸應力狀態，而在拉伸初始應力疊加作用下，復合材料纖維更容易斷裂，使層合板的彈道速度（剛好穿透層合板的沖擊速度）降低；反之，壓縮初始應力抵消部分沖擊面內拉伸應力，層合板內纖維不容易斷裂，因而提高了層合板的彈道速度。

圖5 沖擊反射/穿透速度Fig.5 Rebound velocity and penetration velocity

3 結論

本文提出了一種考慮初始應力的薄板高速沖擊試驗方法，設計了面內拉伸/壓縮初始應力試驗裝置，并針對X850/IM+牌號的復合材料層合板，開展了高速沖擊試驗，得到如下結論：

(1) 在同一速度下，施加拉伸初始應力使剩余速度增加，施加壓縮初始應力使剩余速度減小，表明拉伸初始應力提高了層合板彎曲剛度，而壓縮初始應力降低了層合板彎曲剛度。

(2) 隨著速度的增加，沖擊反彈速度先增加后逐漸降低，直至出現穿透。

(3)高速橫向沖擊過程，拉伸初始應力疊加作用下，層合板的彈道速度降低；而壓縮初始應力提高了層合板的彈道速度。