纖維纏繞復合材料夾芯圓柱體高應變率壓縮吸能機理*

周曉松，梅志遠

(1. 中國人民解放軍軍事科學院 國防科技創新研究院， 北京 100071；2. 海軍工程大學 艦船與海洋學院， 湖北 武漢 430033)

隨著艦艇建造技術的不斷進步，海上航行的艦艇數量日益增多，艦艇結構平臺的安全性問題得到越來越多的關注[1-2]。與水面艦艇相比，水下潛艇結構平臺的沖擊防護研究在環境載荷作用、結構形式設計以及功能性要求等方面存在較大差異[3-5]。在服役周期過程中，水下結構平臺隨時面臨著敵方魚雷武器和深水炸彈的進攻，平臺的完整性和系統功能的可用性受到嚴重的威脅[6-7]。由于水下環境的特殊性和功能要求的針對性[8-9]，水下結構平臺的沖擊防護結構既需要優異的抗沖擊吸能特性，還需要具備良好的環境適應性或其他特殊性能，如浮力儲備性能。

此外，水下結構平臺在服役周期過程中，單一材料體系設計的吸能元件在強沖擊載荷作用下容易導致結構的崩潰性破壞[10-12]，影響防護結構的吸能效率，因而對水下吸能元件的設計提出了更為嚴格的要求。目前，復合材料抗沖擊吸能元件研究主要集中在航空航天和交通工程領域，較為常見有復合材料圓柱管/殼、方管、錐形管以及波紋管等方面[10]。該類吸能元件的損傷破壞模式主要包括增強纖維和樹脂基體的斷裂損傷、局部屈曲以及層間裂紋的擴展等，能夠比較平穩地吸收沖擊能量，因而是一類性能優異的抗沖擊吸能元件。然而，由于水下工作環境較為特殊，對元件的功能性要求也具有一定的針對性，因而開展系統和深入的設計研究較為困難，工程實踐領域的應用案例也更為少見。

因此，本文結合水下結構平臺的沖擊防護和浮力儲備需求，借鑒纖維纏繞復合材料約束增強軸壓芯材的力學原理，提出并設計了一種新型的輕質浮力補償型纖維纏繞復合材料夾芯圓柱體吸能元件，采用分離式Hopkinson 壓桿和掃描電鏡裝置研究了纖維纏繞復合材料夾芯圓柱體在高應變率沖擊壓縮載荷作用下的力學響應規律和能量耗散機制。該研究工作為水下結構平臺的抗沖擊防護設計提供了設計思路，具有重要的工程應用價值。

1 試驗設計

1.1 實驗材料及制備方法

本文研究的吸能元件由復合材料表層和浮力芯材組成。復合材料的增強纖維為E-玻璃纖維纏繞絲束，基體材料為環氧乙烯基酯樹脂。浮力芯材的主要成分包括空心玻璃微珠和乙烯基酯樹脂。浮力芯材的密度為0.51×103kg/m3，壓縮屈服強度約為18 MPa。復合材料表層厚度d=1 mm；芯材半徑R=8 mm，高度H=9 mm，如圖1所示。

(a) 中縱剖面圖

為保證吸能元件的加工質量，采用工藝穩定性較好的濕法纏繞成型方式，表層環向纏繞角度設計為85°，纖維、樹脂質量比為1 ∶1，制作工藝和試件樣品如圖2所示。

(a) 濕法纏繞工藝

1.2 試驗測試方案

吸能元件的抗沖擊力學性能試驗在分離式Hopkinson(Φ20 mm)壓桿裝置上進行，共進行2組代表性應變率條件下的抗沖擊壓縮試驗，每組代表性應變率的試驗測試至少進行5次，應變信號采樣頻率為1 MHz。裝置桿件材料為合金鋼，彈性模量E=210 GPa，密度ρ=7.8×103kg/m3，泊松比ν=0.33，波速c=5178 m/s。將吸能元件試件放置在入射桿和透射桿之間，試件與壓桿之間的接觸面涂抹少量凡士林潤滑劑，以避免在壓縮試驗期間對試樣產生較大的摩擦作用。采用空氣壓力系統進行沖擊試驗加載，使撞擊桿以已知的沖擊速度撞擊入射桿，產生應力波脈沖并在壓桿和試件中反復傳播，沖擊試驗加載裝置如圖3所示。

圖3 試驗測試裝置示意Fig.3 Schematic diagram of the testing device

1.3 數值分析模型

采用ABAQUS/Explicit建立纖維纏繞復合材料夾芯圓柱體吸能元件在高應變率沖擊壓縮載荷作用下的數值分析模型，如圖4所示。復合材料表層和浮力芯材分別采用SC8R殼單元和C3D8R實體單元進行模擬。表層復合材料是由E-玻璃纖維絲束和環氧乙烯基酯樹脂復合而成，屬于典型的層合薄殼結構，采用二維Hashin準則即可對其損傷失效過程進行有效模擬。內部固體浮力芯材是由空心玻璃微珠和乙烯基酯樹脂復合而成，具有塑性體積可壓縮特點，因而選擇Crushing foam本構模型作為損傷失效判據。表層和芯材的性能參數已在前期的試驗研究和數值模擬中得到對比驗證[11-12]。試件與壓桿之間采用通用接觸算法，法向設置為硬接觸，切向摩擦系數設為0.1。

圖4 吸能元件數值分析模型Fig.4 Numerical analysis model of the energy absorbing element

2 試驗結果分析

2.1 力學響應特征分析

本小節對吸能元件在兩種典型加載條件下的力學響應特征進行分析，撞擊桿速度分別為10 m/s和25 m/s，應變-時間信號由入射桿和透射桿中心點應變片所測得。由于應變測試信號中的高頻分量干擾較大，分析之前需要進行濾波處理。此外，吸能元件的沖擊響應周期約為0.8 ms，因而濾波截止頻率定為12 500 Hz，取5次試驗曲線中重合度較好的3次曲線取平均值，進行處理后的應變-時間變化曲線如圖5所示。

由圖5分析可知，反射波應變-時間曲線呈現出典型的梯形特征，表明吸能元件在高應變率沖擊壓縮載荷作用下呈現典型的彈塑形力學行為。采用三波法對應變測試信號進行處理分析，得到試件的動態應力-應變關系，公式如下所示：

(a) 撞擊桿速度10 m/s

(1)

(2)

(3)

(a) 撞擊桿速度10 m/s

對圖6(a)進行分析可知，在撞擊桿速度為10 m/s的加載條件下，吸能元件的平均加載應變率約為800 s-1，壓縮應變最大值約為0.05，此時內部固體浮力芯材并未出現明顯的沖擊裂紋，表層纖維纏繞復合材料表面僅出現輕微的樹脂基體發白現象。當撞擊桿速度上升到25 m/s時，平均加載應變率約為2000 s-1，壓縮應變最大值為0.1，如圖6(b)所示。由于撞桿沖擊速度和能量的大幅上升，當吸能元件的瞬態沖擊應變達到0.02時，內部固體浮力芯材表面就出現了明顯的沖擊裂紋，而表層纖維纏繞復合材料則出現嚴重的拉伸斷裂破壞，表層復合材料和內部固體浮力芯材之間的復合界面也出現了剝離現象，試件的力學本構曲線如圖7所示。

由圖7分析可知，兩種典型沖擊加載應變率條件下，應力-應變曲線在初始階段均近似沿正斜率直線上升，表明吸能元件在起始階段具有良好的線彈性特征。在加載應變率為800 s-1的條件下，圖7(a)中吸能元件起始階段的應力-應變曲線近似呈直線變化，達到應力峰值點后開始出現小幅下降，進入較為穩定的塑形平臺階段。隨著撞擊桿沖擊速度和沖擊能量的提高，吸能元件的初始模量和屈服應力開始大幅度上升，出現與吸能元件斷裂破壞相對應的應力峰值點σy即本構失穩標志。進一步分析可知，在較低應變率條件下，吸能元件的屈服應力σy小于其斷裂應力σb，呈韌性破壞特征；而在高應變率加載條件下，σy≥σb，吸能元件呈現出典型的脆性破壞特征。由此可見，吸能元件的加載應變率影響其抗沖擊壓縮性能，在加載應變率升高過程中，發生了韌性到脆性的轉變。在高應變率沖擊載荷作用下，固體浮力芯材試件沿加載方向并沒有發生很大的變形就因裂紋擴展而破壞。

(a) 撞擊桿速度10 m/s

以2000 s-1加載應變率條件下的試件為例，將其力學響應特征曲線的數值模擬與試驗結果進行對比，如圖8所示。分析可知，數值模擬與試驗測試的應力-應變曲線一致性較好，驗證了數值分析模型的有效性。

圖8 高應變率下試件數值模擬與試驗結果對比Fig.8 Comparision of experiment and simulation results for specimens under high strain rate loading

2.2 能量耗散機制分析

本小節對纖維纏繞復合材料夾芯圓柱體吸能元件在不同加載應變率條件下的損傷破壞模式和能量耗散機制進行分析。

在加載應變率為800 s-1的條件下，吸能元件的壓縮應變較小，內部固體浮力芯材并未出現明顯的沖擊裂紋，橫向膨脹效應較弱，因而表層的纖維纏繞復合材料僅出現輕微的樹脂基體損傷，試驗測試與數值模擬結果對比如圖9所示。

(a) 試驗測試結果

由于沖擊能量較小，固體浮力芯材組分之一的空心玻璃微珠僅出現少量的壓縮斷裂破壞，而另一組分樹脂基體仍處于彈性應力狀態，微觀損傷破壞模式如圖10(a)所示。由于內部固體浮力芯材的壓縮膨脹效應較小，表層纖維纏繞復合材料僅出現較為顯著的基體發白損傷，增強纖維的拉伸斷裂破壞并不明顯，如圖10(b)所示。

(a) 50 μm比例尺下固體浮力芯材微觀損傷模式

隨著撞擊桿沖擊速度和沖擊能量的增加，在加載應變率為2000 s-1的條件下，吸能元件的壓縮應變極限值大幅提高，內部固體浮力芯材在加載應變達到0.02時即出現了明顯的沖擊裂紋，壓縮膨脹效應也更為明顯，因而導致表層纖維纏繞復合材料出現嚴重的纖維拉伸斷裂破壞，試驗測試與數值模擬結果對比如圖11所示。

(a) 試驗測試結果

由于加載應變率較大，內部固體浮力芯材樹脂基體內部的無規則線團和半伸展分子鏈來不及做更大程度的蜷縮調整，分子間次價鍵就發生了斷裂，同時大量的空心玻璃微珠在應力波快速作用下沒有獲得足夠的應力水平，并未發生充分的壓縮斷裂破壞，而另一組分樹脂基體已進入塑性應力狀態。因此，吸能元件沿加載方向并沒有發生很大的變形就會因裂紋擴展而破壞，斷裂的結果使應力分布更加不均勻，分子鏈斷裂過程加速，發展成微裂紋。當應力水平繼續上升時，微裂紋擴展并與微珠基體間的縫隙匯合，形成較為明顯的宏觀裂紋，如圖12(a)所示。由于內部固體浮力芯材的壓縮膨脹效應較為明顯，表層纖維纏繞復合材料也出現了較為顯著的纖維拉伸斷裂破壞，如圖12(b)所示。

(a) 50 μm比例尺下固體浮力芯材微觀損傷模式

2.3 沖擊吸能效率分析

本小節對沖擊壓縮載荷下纖維纏繞復合材料夾芯圓柱體試件的吸能效率進行分析，進一步評估該型吸能元件在水下抗沖擊防護領域的工程應用價值。為了更加直觀表現纖維纏繞復合材料夾芯圓柱體結構設計的合理性和能量吸收特性的優越性，本文對纏繞復合結構和未纏繞固體浮力芯材在相同加載應變率條件下的應力-應變曲線進行對比分析，如圖13所示。

(a) 800 s-1加載應變率

由圖13分析可知，隨著沖擊加載應變率的上升，無纖維纏繞復合材料表層的固體浮力芯材呈現出較強的應變率效應，動態屈服應力峰值出現大幅度提高。此外，由于纖維纏繞復合材料表層的環向約束效應，纏繞復合結構試件的屈服應力峰值在相同加載應變率條件下也得到提高，能量吸收效率也進一步提升。纏繞復合結構和未纏繞固體浮力芯材在相同加載應變率條件下的應變能密度-應變曲線對比如圖14所示。從能量吸收密度角度評估認為，纖維纏繞復合材料夾芯圓柱吸能元件在水下高應變率沖擊載荷環境下不僅具有較好的沖擊吸能效率，而且具有較好的環境適應性和浮力補償特性，因而是很好的水下抗沖擊吸能元件。

(a) 800 s-1加載應變率

3 結論

1)纖維纏繞復合材料夾芯圓柱體吸能元件在高應變率沖擊載荷作用下的力學響應呈現典型的彈塑性特征，表層復合材料和內部固體浮力芯材相互約束的塑性損傷階段是吸能元件能量吸收的主要階段。

2)在高應變率加載條件下，纖維纏繞復合材料夾芯圓柱體吸能元件的屈服應力、屈服應變和能量吸收密度均隨著加載應變率的提高呈現上升的趨勢。