復合材料帽型加筋板沖擊損傷后的彎曲性能

張永強， 劉龍權， 余 音

（上海交通大學航空航天學院航空航天先進材料與結構試驗中心，上海200240）

0 引 言

復合材料加筋薄壁板因其優良的力學特性，被越來越多地應用到飛行器、船舶與汽車的主要承力結構當中［1-3］，在結構承受集中載荷或者局部彎曲時，筋條可以傳遞來自壁板與邊框的剪切載荷，大大加強了壁板的穩定性與極限承載能力。其中，帽型加筋板由于其封閉的截面特性具有良好的扭轉剛度，穩定性好，成為飛機、火箭等環狀結構蒙皮的首選。在服役過程中，彎曲載荷是環狀結構主要承受的載荷［4］，且容易受到跑道碎石、冰雹等的撞擊［5-6］，因此撞擊后的損傷情況以及受到損傷后的抗彎強度剛度問題是帽型加筋板設計的重要影響因素。研究表明，膠層脫粘是帽型加筋板的主要破壞形式［7］，同時還存在纖維分層、屈曲等問題［8］，且局部失效會改變結構的傳力路徑，不同破壞模式之間相互影響［9］。這些問題加大了設計上的難度，引起國內外眾多學者對此進行研究探討。

孫晶晶等［10］通過試驗和數值法，研究了復合材料帽型加筋板承受橫向四點彎曲時，不同跨距下筋條脫粘的失效機理，并分析了結構損傷對傳力路徑的影響。Yetman等［11］指出材料的GIIC、拉伸強度等特定斷裂性能對評估帽型加筋板裂紋的萌生與擴展具有重要作用。張茹等［12］借助ABAQUS分析了矩形預制分層的形狀與所在位置對極限載荷的影響，結果發現缺陷面積較小時，極限載荷略有降低，只有超出一定值時，極限載荷才會突然下降。Yetman等［13］研究了帽型加筋板在軸向壓縮時，脫粘長度與位置對極限載荷與失效模式的影響。Wiggenraad等［14］研究了受沖擊的I型加筋板的損傷容限，發現沖擊位置影響結構在彎曲載荷下的分層擴展。

相比于帽型加筋板承載后裂紋的萌生與擴展［1］，對含預制損傷，尤其是沖擊損傷的帽型加筋板承載能力的研究還稍顯不足。另外復合材料對沖擊損傷較為敏感，沖擊后力學性能的研究尤為重要，而復合材料帽型加筋板沖擊損傷演化及破壞模式十分復雜，并且對結構的彎曲性能的影響很大，但是沖擊后層板分層與膠接界面脫黏的長度與形狀都具有很大的分散性，試驗仍然是最為行之有效的研究方法。

本文以含有帽型加強筋的復合材料為對象，研究加強筋與壁板粘接處的R區填充捻子條或者膠膜（無捻子條）兩種情況，設計專用夾具實行沖擊，預制特定的沖擊損傷，并采用相控陣超聲檢測儀進行無損探傷設備來檢測沖擊引起的復合材料內部損傷。設計專用的加筋板彎曲試驗裝置，進行四點彎曲試驗，探究復合材料加筋板在受到沖擊損傷前后的彎曲性能，分析沖擊損傷對結構承載能力與破壞模式的影響。同時探究在加強筋R區填充捻子條對結構彎曲性能的優缺點。形成了一套研究復合材料帽型加筋板沖擊后彎曲性能行之有效的方法，為飛行器、船舶、汽車的復合材料結構設計提供參考依據。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗件

試驗件由復合材料帽型長桁加平直無曲率蒙皮組成，其外形及關鍵尺寸如圖1所示，復合材料單層厚度為0.184 mm，長桁鋪9層，蒙皮鋪12層，單層板各方向彈性模量及泊松比屬性如下：E11＝154 GPa，E22＝8.5 GPa，G12＝4.2 GPa，G13＝4.2 GPa，G23＝4.2 GPa，μ12＝0.35。其中E11、E22分別表示材料1、2 方向的正彈性模量；G12、G13、G23分別表示3個方向上的剪切彈性模量；μ12表示平面12內的泊松比。

圖1 試驗件尺寸（mm）

考慮在蒙皮與帽型加筋粘接處的內側R區，如圖1所示，填充單向帶捻子條或者填充膠膜（無捻子條）兩種類型，除此之外，兩種加筋板幾何參數和材料參數均相同，對兩種加筋板分別進行四點彎曲和沖擊后四點彎曲試驗，共設計有4組試驗件，根據構型與加載方式編號如表1所示。

表1 構型與加載條件

1.2 低速沖擊試驗

采用Instron CEAST 9350落錘沖擊試驗機實施沖擊試驗，試驗參照ASTM D7136［15］測量纖維增強聚合物基復合材料對落錘沖擊事件的損傷阻抗試驗標準。對應試驗件R區沖擊位置，如圖2（a）所示，通過沖擊試驗獲得脫黏損傷長度12 mm左右，進一步用于四點彎曲試驗中。沖擊試驗件按照如圖2（b）所示夾持，所設計專用夾具由木料制成，用于模擬彈性邊界條件，得到接近真實的損傷模式，并避免產生額外的損傷，保證后續試驗的正常開展。沖擊后試驗件的損傷情況由Phasor XS相控陣超聲檢測儀無損探傷，探測損傷是否達到要求。

圖2 沖擊試驗示意圖

通過控制落錘式沖擊試驗機的沖擊頭下落高度來控制沖擊速度與能量，試驗采用16 mm半球形沖頭，名義沖擊能量Ei由沖擊頭質量m與最大瞬時沖擊速度vi決定：

試樣損傷吸收的能量為：

其中：v（t）為t時刻沖擊頭的速度；δ（t）為t時刻沖擊頭相對于最大瞬時沖擊速度時的位移。由摸底試驗確定脫黏長度為12 mm對應的沖擊能量：含有捻子條的加筋板的沖擊能量為9 J；不含捻子條的加筋板沖擊能量為10 J。

1.3 彎曲性能測試

四點彎曲試驗在CMT5105微機控制電子萬能試驗機上進行，試驗夾裝在設計加工的專用夾具上，如圖3所示。夾具支座留有足夠高度，允許試驗件帽頂自由撓曲變形；與試驗件直接接觸的壓輥可以滾動，從而降低試驗件與壓輥接觸位置在大變形發生滑移時的摩擦力，而不影響試驗結果；支座與壓輥之間的相對位置可以微調，使得試驗前所有壓輥均與試驗件恰好接觸，保證載荷與邊界左右對稱。上下夾頭加載點中心距離分別為60、160 mm。其中下夾頭在蒙皮上保持不動，上夾頭加載位置對應試驗件R區。采用位移控制加載，速率為2 mm／min，直至試驗件完全破壞或者加載位移達到30 mm。為分析試驗件損傷擴展方式及破壞特征，每個試驗件粘貼10個應變片，粘貼位置和編號如圖4 所示，102、104、106 號應變片與101、103、105 號應變片左右對稱，依次粘貼在筋條側壁板、筋條與蒙皮膠結區域和蒙皮上；108、110號應變片在試件寬度上對稱；100、101在蒙皮正反兩面正中位置。

在預試驗中，對比應變片106與107、108與110的示值，使應變片示值誤差在10%以內，調整試驗件位置與姿態，保證試驗件對中，載荷對稱。

圖3 四點彎曲試驗示意圖

圖4 應變片位置示意圖（mm）

2 結果與分析

2.1 預制沖擊損傷

沖擊試驗后，應用超聲掃描法檢測沖擊后的試驗件筋條與蒙皮之間內側R區部分脫黏情況。脫黏區域如圖5所示，損傷形狀并不完全相同，每種試驗件脫黏長度不可避免地也具有一定離散性，但兩組試驗件平均沖擊脫黏長度相等。

圖5 沖擊損傷形狀

2.2 四點彎曲試驗分析

圖6 四組試驗件典型力-位移曲線

表2 各組試驗件在四點彎曲試驗損傷記錄

（1）力-位移曲線及破壞模式。對4個試驗組各選取一個試驗件，匯總力-位移曲線如圖6所示，在位移加載過程中試驗件損傷情況如表2所示，損傷模式具體如圖7所示。試驗初始階段，隨著位移增加，所有試驗組載荷均線性增加，當發生破壞損傷時，試件所承受載荷突然下降，但載荷突降后隨著位移加載繼續升高。以下是各試驗件在受到損傷時的載荷突降情況：①含有捻子條無損傷的A1組加載位移在11.16、17.23、22.27 mm時出現3次大幅的載荷突降，對應損傷形式為R區分層、R區分層及擴展、R區脫黏及表面劈絲；②含捻子條和沖擊損傷的A2組加載位移在15.88 mm時R區損傷，發生載荷突降；③無捻子條無損傷的B1組在加載位移等于10.77、11.44 mm時，R區損傷，載荷發生小幅突降，而加載位移等于17.34 mm，長桁與蒙皮膠結界面外側脫黏時，載荷大幅突降；④無捻子條但受到沖擊損傷的B2組加載位移等于12.22、13.26 mm 時，R 區損傷，載荷小幅突降，而加載位移等于22.36 mm，長桁與蒙皮膠結界面外側脫黏時，載荷大幅突降。

圖7 破壞模式示意圖

由此可知，各組試驗件損傷均可以分為3個階段：R區分層及擴展；R區表面劈絲；蒙皮與筋條界面膠層脫粘。無論哪一組試驗件，初始損傷均為R區分層，結合圖6的力-位移曲線，當突然發生損傷時，結構一般會出現一定的掉載：當R區分層、擴展或者脫黏時，含有捻子條的試驗組掉載幅度較大；而不含捻子條的試驗組只有在外側脫黏時才開始大幅掉載。這說明在R區填充捻子條改變了加筋板結構的傳力路徑，在蒙皮與筋條的膠結界面上，內側傳載比例相對升高，因此結構對R區損傷更加敏感。但即使膠層開始脫粘后，加筋板仍具有一定的承載能力。

（2）初始剛度與破壞載荷。如圖6所示的力-位移曲線中，選取位移為1～4.5 mm的線性段（大致對應蒙皮應變在0.001～0.003之間），計算試驗件的初始剛度，并將每組試驗件平均初始剛度用相應顏色的虛線標出，對比平均初始剛度與力-位移曲線，在肉眼可見損傷或者明顯掉載之前，位移增加過程中，結構剛度已經有輕微的下降，這是由于加載過程中結構已開始出現肉眼不可見的損傷，相應的試驗現場有輕微響聲卻沒有明顯損傷。初始剛度逐漸下降在含有沖擊損傷的試驗組A2、B2更加明顯。

4組試驗件初始剛度從大到小排列為A1、B1、A2、B2：無論是否有沖擊損傷，含有捻子條的試驗組明顯較為剛硬，對比A1與B1組，無損傷條件下，有捻子條的試驗組的初始剛度比沒有捻子條的試驗組高出11%；對比A1與A2組、B1與B2組，在受到沖擊損傷后，有捻子條的試驗組初始剛度下降了17%，而沒有捻子條的試驗組下降了12%。其中，含有沖擊損傷的試驗組初始剛度的離散度略高于無損傷試驗組，這是由于脫黏較長的試驗件初始剛度較低。對于無損試驗件取脫黏區域長度為0，繪制試驗件初始剛度對于脫黏長度的散點圖，并進行線性擬合，結果如圖8所示。初始剛度與脫粘區域長度負相關，兩者Pearson相關系數的絕對值超過0.6。對比可知，有捻子條的試驗件初始剛度受脫黏區域長度的影響更大。

圖8 初始剛度與脫黏長度的關系

試驗件的初始破壞載荷與極限載荷如表3所示。

表3 試驗件破壞、極限載荷的關系

無論是否含有損傷，有捻子條的試驗組與沒有捻子條的試驗組相比，初始破壞載荷較高（對應R區損傷），而極限載荷較低（對應膠結界面已有較長脫黏）。在R區對應位置受到沖擊損傷后，有捻子條的試驗組初始破壞載荷下降了5.0%，極限載荷降低4.7%；沒有捻子條的試驗組初始破壞載荷下降了3.1%，極限載荷降低6.5%。事實上，在R區損傷之前，含有捻子條的試驗組由于初始剛度更高，R區承載比例更高，因此在初始破壞位移相差不大的情況下，可以達到更高的破壞載荷，但同時對沖擊損傷更敏感；而在膠結界面大幅脫黏后，捻子條失效，但R區所產生的損傷更大，因此極限載荷反而低于不含捻子條的試驗組。

（3）應變信息。圖9（a）所示的是含有捻子條無損傷的試驗組（A1組）典型的應變-位移曲線，同時力-位移曲線由黑色點畫線標出。左右對稱分布的應變片應變值分別用相同顏色的實線與虛線表示，在初始階段，應變值基本保持相等，且隨著加載位移線性增加。理論上無損試驗件結構、材料、載荷均左右對稱，兩側承載響應應完全相同，但實際上損傷總是從一側開始。當損傷產生時，結構承受載荷突然下降，圖9（a）中3次明顯的載荷突降均與某一側應變突降完全對應。同時損傷還帶來結構傳力路徑的改變，包括蒙皮與筋條之間、左側與右側之間：由于筋條與膠結界面損傷而突然掉載時，筋條上的應變片102或103應變值下降幅度更大；掉載后，各個應變片應變值繼續增加，但明顯未受損的一側應變隨加載位移增加的速度更快。這意味著損傷使得帽型長桁承擔載荷的比例降低，從而在相同的位移載荷下，結構整體承受載荷降低。

無捻子條的B1組應變曲線如圖9（b）所示。

圖9 應變-位移曲線

對于沖擊損傷的試驗組，試驗件在受到沖擊后一側膠結界面部分脫黏，損傷將帶來蒙皮與筋條之間、左側與右側之間結構傳力路徑的改變，如圖10（a）所示是A1與A2組試驗件粘貼在長桁上應變片典型的應變-載荷曲線的初始線性段，對比可知，沖后彎試驗組左右對稱分布的應變片應變值不再相等，且關于載荷的增長斜率比無損試驗組小。這意味著沖擊損傷使得帽型長桁承擔載荷的比例降低。對比圖10，顯然有捻子條的試驗組在受到沖擊損傷后帽型長桁降低的承載比例更高，這也解釋了含捻子條試驗件初始剛度受脫黏區域長度影響更大的原因。

3 結 論

圖10 應變-載荷曲線對比

對于內側填充捻子條或者膠膜（無捻子條）兩種復合材料帽型加筋板，首先分別預制平均脫黏長度相同的沖擊損傷，然后進行四點彎曲試驗，并與無損傷的四點彎曲試驗組進行對照，分析試驗件的初始剛度、強度、損傷形式以及應變，得出以下結論：

（1）所設計沖擊方案及相關裝置使加筋板得到較為真實的損傷模式；彎曲試驗裝置也達到了盡量避免摩擦等無關因素影響的目的。

（2）為使兩種試驗件沖擊損傷的脫黏長度相同，無捻子條的加筋板受到沖擊能量更高。固定沖擊位置與能量，加筋板在受到沖擊后脫黏長度仍具有一定的分散度。加筋板的初始剛度與脫黏長度負相關，而破壞載荷與脫黏長度關系不大。

（3）無論是否含有捻子條和沖擊損傷，加筋板在受到四點彎曲后，損傷形式基本相同，主要可以分為三個階段：R區分層及擴展；R區表面劈絲；蒙皮與筋條界面膠層脫粘。

（4）無論是否含有捻子條，在受到給定沖擊損傷后，加筋板的抗彎能力均有所下降：其中，抗彎強度下降在5%左右，初始剛度下降幅度超過10%，且沖擊損傷對含有捻子條的加筋板影響更大。

（5）研究試驗所得載荷-位移曲線及試驗件破壞模式可以得出：在帽型加強筋R區填充捻子條改變了加筋板的傳力路徑，膠結界面內側傳載比例相對升高，從而提高了加筋板的抗彎剛度和初始破壞載荷，但同時彎曲性能對R區對應位置的沖擊損傷更加敏感。值得注意的是，筋條R區始終是結構最薄弱的環節。

·名人名言·

科學實驗是科學理論的源泉，是自然科學的根本，也是工程技術的基礎。

——張文裕