拉伸/壓縮載荷作用下復合材料抗沖擊性能試驗研究

尹昰凱，陳偉，劉璐璐，趙振華，羅剛

(南京航空航天大學 a. 航空發動機熱環境與熱結構工業和信息化部重點實驗室；b. 機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

在航空航天領域，發動機部件沖擊損傷這一問題倍受關注，從低速沖擊一直研究到現在的高速沖擊。隨著先進技術的發展，航空航天領域對材料的要求越來越高，碳纖維復合材料由于其優越的性能已廣泛應用于發動機各個部件，而發動機部件大都在受預載荷的情況下工作，因此研究預載荷對碳纖維復合材料力學性能的影響尤為重要。

至今，關于預載荷對復合材料抗沖擊性能的影響前人已做過大量的工作，并取得了豐碩的成果。尤其是拉伸載荷對復合材料沖擊性能影響的研究已屢見不鮮。早在20世紀90年代，WHITTINGHAM B、MIKKOR K M和PICKETT A K等[1-3]相繼研究了預拉載荷對碳纖維復合材料沖擊性能的影響，并得出拉伸預載使靶板彎曲變形減少、分層程度降低的結論。GARCIA-CASTILLO S K[4-5]做了雙軸拉伸預緊板的高速沖擊研究，發現了預載板的彈道極限與其數值解析結果之間的聯系。近年來，學者們不僅只關注預載荷對靶板損傷的影響。2011年SCHUELER D等[6]通過試驗發現單軸預拉載荷會減小彈道極限，并且得出初始應力越高，靶板吸收能量越少的結論。同年MOALLEMZADEH A R 等[7]研究了單軸與雙軸拉壓預緊力對復合材料板沖擊響應的影響，得出預拉載荷會降低彈道極限和復合板的吸能能力的結論。

相比于拉伸預載荷，壓縮預載荷對復合材料沖擊性能影響的研究為數不多。 1990年MORLO H 、1999年ZHANG X 和2009年HEIMBS S等[8-10]曾做過壓縮預加載作用下碳纖維復合材料的沖擊試驗，并得出了預壓使靶板彎曲變形增加從而導致分層損傷面積增大的結論。隨后2014年HEIMBS S等[11]也針對T800S/M21碳纖維/環氧樹脂復合材料做過類似的試驗，得出相同的結論，并發現預載荷下靶板的主要失效模式為基體裂紋和分層。

綜上，針對不同大小預載荷對復合材料影響規律的對比研究較為稀缺。因此，本文通過對比試驗，探究在不同大小的預拉及預壓載荷作用下，碳纖維增強復合材料損傷容限和沖擊性能的變化規律。

1 拉壓載荷作用下復合材料高速沖擊試驗

1.1 試驗沖擊系統

本試驗采用課題組自行設計的50mm空氣炮試驗系統進行外物損傷模擬試驗。試驗時通過壓縮空氣推動彈托和彈體加速，在炮口處彈托分離器將彈托分離，彈體隨即依靠慣性繼續飛出至完成沖擊過程。試驗系統由發射系統、彈托收集裝置、固持與防護系統、高速攝影系統和液壓加載系統組成，具體結構如圖1所示。

圖1 沖擊系統示意圖

1.2 預加載裝置

液壓加載裝置由空壓機、調壓閥、空氣增壓泵、控制開關以及加力油缸5部分構成。根據液壓加載系統經驗公式：F=調壓閥示數×空氣增壓泵倍數×加力油缸受力凈截面積，并根據所需施加力的大小求出空氣增壓泵油表示值。

1.3 試驗件及夾具

試驗件材料為碳纖維/環氧樹脂復合材料(T700/TDE-86)，尺寸為250mm×140mm×2mm，鋪層方式為[±45°，0°，90°，±45°，0°，90°]s。沖擊彈體選取直徑17mm，質量為20.2g的鋼球。具體靶板尺寸及實物如圖2(a)所示，試件裝夾圖如圖2(b)所示。

圖2 單向預載荷靶板設計

2 結果分析與討論

2.1 試驗結果

試驗分別采用空載、拉伸35.0kN、拉伸82.5kN、壓縮19.0kN和壓縮28.0kN載荷開展。試驗結果如表1所示。表中m為彈體質量；F為預應力，拉伸為正，壓縮為負；Vi為入射速度；Vr為剩余速度；Ek為靶板吸收的動能。

表1 試驗數據記錄表

2.2 分層損傷分析

選取不同工況下試驗，部分沖擊后試驗件照片如圖3所示。由圖可見，沖擊速度較低時，靶板迎彈面留下一個根彈體尺寸差不多的圓形凹坑,出現纖維剪切斷裂，背彈面有少量的纖維崩裂。反彈工況的靶板損傷模式以基體開裂和纖維拉伸斷裂為主，同時也有層間分層失效。隨著沖擊速率的增加，靶板迎彈面，凹坑變深，背彈面鼓包也變高，纖維崩裂數量增多，當纖維拉伸變形超過其斷裂伸長率時，背彈面形成沿纖維方向的撕裂斷口。擊穿工況下靶板的損傷模式有纖維拉伸斷裂，基體開裂和層間分層等。

圖3 部分沖擊試驗照片

為了更直觀地看出加載情況對T700/TDE-86復合材料彈道沖擊試樣內部造成的損傷情況，使用TABLETUT 型超聲C掃描系統(MISTRAS公司)對以上試驗組別的靶板進行損傷部位和損傷面積的檢測，如圖4所示；不同加載條件下靶板損傷面積如圖5所示。從圖中可以明顯看出在單軸空載時,靶板被擊穿前分層損傷隨著速度的增加而增加，且靶板上出現凹坑，靶板被擊穿后，出現圓形穿孔，分層損傷面積幾乎不變；在沖擊速度接近的情況下，與空載相比，單軸拉伸35.0kN與單軸拉伸82.5kN的靶板分層損傷面積減小，且隨著預拉載荷的增大，靶板的圓形穿孔變小。這可能是由于施加拉力后靶板抗彎剛度增加，阻止了分層的擴展。拉伸加載情況在靶板被擊穿后，分層損傷區域近似為 “菱形”型，且分層沿單孔附近呈“十字型”擴展，說明該層沿0/90°擴展。而與空載情況相比，拉伸與壓縮加載情況的靶板損傷面積普遍變小，且擊穿情況下，靶板的損傷面積會隨著加載拉力的增大而增大(圖4(c)與圖4(d))，會隨著加載壓力的增大而減小(圖4(e)與圖4(g))；在同種壓力工況下，反彈工況靶板的損傷面積小于擊穿工況(圖4(g)與圖4(h))，且擊穿后隨沖擊速度的增加靶板損傷面積也會增加(圖4(e)與圖4(f))；相同沖擊速度下，且同為反彈工況，壓縮工況的靶板損傷面積遠小于空載工況(圖4(a)與圖4(h))，壓縮加載情況下靶板損區域近似為 “梅花”型，分層依舊沿彈孔附近呈“十字”型擴展。

圖4 超聲C掃描圖片

圖5 不同加載條件下靶板損傷面積

2.3 能量吸收分析

本文通過對比在不同預載荷條件下靶板的能量吸收和彈道極限來評價該復合材料靶板的抗沖擊性能和吸能能力。彈體沖擊過程中的動能的損失ΔEk即為靶板吸收的能量。

(1)

式中：Mp為彈體質量；Vi為彈體入射速度；Vr為彈體剩余速度。

(2)

式中:S為靶板的等效面積；ΔEki為第i發彈體沖擊靶板后的動能損失；n為試驗次數。

圖6為不同加載工況下靶板單位面積平均吸能圖。同比空載工況，拉伸35.0kN及拉伸82.5kN的靶板單位面積平均吸能分別降低了6.15%和12.20%。這是由于拉伸應力會使靶板的抗彎曲變形能力，即抗彎剛度增強，使靶板不能通過屈曲變形吸收更多的能量，使靶板吸能方式變得單一，所以拉伸預應力會減小靶板吸收的能量，從而增大彈體的剩余速度，減小靶板彈道極限，降低靶板抗沖擊性能。而與拉伸加載情況不同，預壓19.0kN和預壓28.0kN工況同比空載工況靶板單位面積平均吸能分別增加了5.0%和9.8%。這是由于預壓載荷會使靶板更易變形，減小了靶板的抗彎剛度，使靶板可以通過屈曲變形吸收更多的沖擊能量，增加了靶板吸收的能量，從而減小彈體的剩余速度，增大靶板彈道極限，提高靶板抗沖擊性能。

圖6 不同加載條件下靶板單位面積平均吸能

3 結語

本文通過開展預拉與預壓載荷作用時碳纖維/環氧樹脂復合材料(T700/TDE-86)的高速沖擊試驗，探究不同大小預拉與預壓載荷對該材料能量吸收能力、抗沖擊性能及分層損傷區域的影響，結論如下所述。

1)相對于空載，預拉載荷會提高靶板的抗彎剛度，減少靶板吸收的能量，降低靶板的抗沖擊性能。預壓載荷會減小靶板的抗彎剛度，增加靶板吸收的能量，增加靶板的抗沖擊性能。

2)而與空載情況相比，拉伸與壓縮加載情況的靶板損傷面積普遍變小，且擊穿情況下，靶板的損傷面積會隨著加載拉力的增大而增大，且隨著加載壓力的增大而減小。

3)在同種壓力工況下，反彈工況靶板的損傷面積小于擊穿工況，且擊穿后靶板的損傷面積隨沖擊速度的增加而增加；相同沖擊速度下，且同為反彈工況，壓縮工況的靶板損傷面積遠小于空載工況。