中低速壓縮加載下不同截面構型復合材料薄壁結構吸能特性及失效分析*

張欣玥，惠旭龍，葛宇靜，舒 挽，白春玉，劉小川

（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）

飛機結構耐撞性是飛機安全性設計的一個重要方面。飛機在墜撞過程中，貨艙下部支撐結構可以吸收碰撞時的大部分沖擊能量，降低傳遞到乘員的過載，從而有效保護乘員安全。先進復合材料在飛機結構中的大量應用給吸能結構設計與評估提出了較大挑戰(zhàn)。近年來，學者們對圓管、方管9,]等吸能結構進行了較系統(tǒng)的研究。對于航空結構而言，開剖面的吸能結構因具有質量更輕、安裝及檢修難度小等優(yōu)點，被廣泛用作飛機貨艙下部的主要支撐結構，因此也引起了學者們的廣泛關注19,。

Deepak比較了準靜態(tài)壓縮下C 形、帽形及L 形結構的壓潰吸能特性，同時比較了倒角觸發(fā)與尖頂觸發(fā)兩種觸發(fā)模式對以上3 種結構吸能特性的影響，然而，在動態(tài)加載條件下，截面構型及觸發(fā)模式對吸能結構的影響規(guī)律并不清楚。Riccio 等通過試驗與數值模擬方法研究了復合材料C 形貨艙立柱結構在準靜態(tài)壓縮與動態(tài)載荷下的材料層內損傷和層間分層損傷機制，動態(tài)試驗在落塔系統(tǒng)上進行，沖擊質量為26 和77 kg，初始沖擊速度分別為1.8 和3.9 m/s，結果表明，在動態(tài)加載條件下，C 形復合材料薄壁結構會產生更多的層間分層。Jackson 等對比了Ω 形吸能結構在準靜態(tài)及動態(tài)加載下的壓潰吸能特性，動態(tài)試驗在高速液壓伺服試驗機上進行，加載速度為8.5 m/s，結果表明，與準靜態(tài)情況相比，動態(tài)加載下，Ω 形吸能結構的吸能效果有所降低；同時比較了不同鋪層設計對結構吸能特性的影響。汪洋等對比了觸發(fā)模式、高度、截面面積不同的C 形結構在準靜態(tài)加載及動態(tài)加載下的壓潰吸能特性，其中動態(tài)壓潰試驗在雙立柱導引式落震臺上進行，試驗中通過落體自由下落沖擊試件，沖擊質量216 kg，初始沖擊速度為6.1 m/s。Waimer 等對一種新型飛機貨艙地板下部復材薄壁吸能結構進行了大量動態(tài)壓縮實驗測試，加載速度為6.7 和10.0 m/s，同時考慮了沖擊角為10°的偏軸加載的情況，通過對材料失效模式、力-位移曲線以及吸能指標進行比較，得到了鋪層角度和結構尺寸、速度及加載角度等參數對該結構吸能特性的影響。Kakogiannis 等通過試驗與數值模擬方法比較了復合材料薄壁吸能元件在動態(tài)軸向載荷作用和脈沖軸向載荷作用下的響應，研究發(fā)現，在脈沖載荷作用下試件比吸能增加，兩種載荷模式導致材料中的主裂紋擴展模式有所不同。

由于開剖面復合材料薄壁結構的吸能特性受多種因素影響，因此較多學者通過建立薄壁結構動態(tài)壓潰加載的漸進失效有限元模型來進一步分析復合材料薄壁吸能結構動態(tài)壓潰過程中材料的損傷機理25-27,，并給出了鋪層角度、觸發(fā)模式16]和加載角度等對結構吸能特性的影響規(guī)律。模型中考慮了復合材料層內及分層損傷，但并未考慮材料的應變率效應。

綜上可知，現有文獻對復合材料薄壁吸能結構在準靜態(tài)下及1.8～10.0 m/s 高速加載下的壓潰吸能特性研究較多，而對復合材料薄壁吸能結構在0.01～1 m/s 的中低速加載范圍內的吸能特性研究較少。該加載速度范圍對應材料處于中低應變率范圍，大量研究表明復合材料在該應變率范圍的應變率敏感性將有所不同，同時考慮到開剖面復合材料薄壁結構的截面構型、截面長寬比、觸發(fā)方式及加載速度均會對其吸能特性產生影響，進而影響機身下部結構的能量吸收及乘客的安全。因此有必要對該加載速度范圍內復合材料薄壁結構的吸能特性進行試驗研究，分析不同因素對結構吸能特性的影響規(guī)律，揭示其失效機理，為飛機下部結構抗墜撞設計提供參考。

本文中，基于高速液壓伺服試驗系統(tǒng)，開展開剖面復合材料薄壁結構的軸向壓縮試驗研究，分析截面構型、截面長寬比、觸發(fā)模式及加載速度對結構吸能特性的影響，通過對比結構在壓縮過程中的初始峰值載荷、平均壓潰載荷、比吸能及失效模式，分析不同因素對結構動態(tài)吸能特性的影響規(guī)律及影響機理，以期為飛機貨艙下部復合材料吸能結構設計提供理論支持。

1 試件與試驗方法

1.1 復合材料薄壁吸能試件

試件由CCF300/8552A 高溫固化環(huán)氧碳纖維預浸料經過熱壓成型工藝層合而成，碳纖維體積分數為67%±2%，預浸料單層0°拉伸強度為1.5 GPa，材料密度為1.6 g/cm，試件鋪層角度為[45°/0°/90°/–45°/45°/0°/90°/–45°]，其中：下標s 指對稱鋪層，軸向壓縮方向為纖維0°方向，試件厚度為2 mm。

為了研究復合材料薄壁結構的截面構型、截面長寬比及觸發(fā)方式對其吸能特性的影響，本文中考慮了C 形、帽形及Ω 形3 種截面構型，3 種長寬比（長寬比為1.65、1.06 和2.31 的C 形吸能元件，記為C1、C2 及C3 型）（見圖1），45°倒角觸發(fā)及15°尖頂觸發(fā)2 種觸發(fā)方式（見圖2）。試件橫截面尺寸如圖1 所示，通過合理設計，保證每種試件均具有相同的橫截面積。為滿足試件能夠穩(wěn)定固定于試驗機上，試件設計了如圖2 所示的底座，底座由金屬外殼及樹脂澆筑部分組成，底座尺寸為80 mm×60 mm，高度為20 mm，復合材料元件有20 mm 的部分插入樹脂澆筑的底座中，試件高度（帶底座）為100 mm。

圖1 試件橫截面尺寸（單位：mm）Fig. 1 Cross-sectional dimensions of specimens (unit: mm)

圖2 試件照片Fig. 2 Photos of the specimens

1.2 試驗設備及試驗方法

軸向壓縮試驗采用Instron VHS 160/100-20 高速液壓伺服試驗機進行，如圖3 所示。該試驗機由液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、機架和控制系統(tǒng)4 部分組成，通過液壓作動缸與氣體蓄能組合提供加載能量，實現恒速動態(tài)加載。試驗機最大加載速度為20 m/s，最大沖擊動載荷為100 kN。

圖3 高速液壓伺服試驗機Fig. 3 High speed hydraulic servo testing machine

試驗載荷及位移分別由試驗機上的力傳感器及位移傳感器測得。在加載過程中，采用高速攝像機（Photron SA-X）記錄試件的變形及破壞情況。加載速度分別為0.01、0.1、1 m/s，最大壓縮進程為54 mm。試驗設備及試件夾持方式如圖4所示，試件通過前后兩個固定塊及螺栓固定在試驗機底座上，支持裝置通過螺栓固定于試驗機臺面，支持裝置可以避免試驗機壓頭在加載過程中發(fā)生失穩(wěn)。試驗矩陣如表1 所示，每個工況重復3 次試驗以保證可重復性。

圖4 試件夾持方式Fig. 4 Clamping method of the specimens

表1 復合材料薄壁吸能結構壓潰試驗Table 1 Composite thin-walled structures compression test matrix

1.3 吸能特性評價指標

圖5 為復合材料吸能結構漸進壓潰的典型載荷-位移曲線，加載曲線可以分為兩個典型階段：初始壓潰階段（階段Ⅰ），載荷-位移曲線呈近似線性上升趨勢，到達載荷峰值后，出現一定程度下降；穩(wěn)定壓潰階段（階段Ⅱ），載荷-位移曲線維持在一定載荷水平并上下波動。通常采用以下4 個指標評價吸能結構的吸能特性。

圖5 典型復合材料吸能試件漸進壓潰載荷-位移曲線Fig. 5 Typical progressive crushing load-displacement curve of composite energy-absorbing specimens

(1) 初始峰值載荷（F）為結構在壓潰瞬間測出的最大載荷值，其數值應控制在一定范圍內，以避免對乘員產生較大過載。

(2) 平均壓潰載荷（F）為整個壓潰過程的載荷平均值：

式中：F為壓潰載荷，l為壓潰位移。

(3) 壓潰載荷效率（crushing load efficiency, η）為平均壓潰載荷與初始峰值載荷的比值：

(4) 比吸能（specific energy absorption,）為單位壓潰質量的復合材料所吸收的能量，是衡量結構吸能特性最重要的參數：

式中：為壓潰位移內的試件質量。本文中取壓頭剛接觸試件頂部即位移零點為吸能起始點，取54 mm 加載行程內的吸能指標進行比較。

2 結果與討論

2.1 截面構型的影響

為研究截面構型對復合材料薄壁結構吸能特性的影響，選取C1 型、帽形及Ω 形3 種構型，觸發(fā)模式均為45°倒角觸發(fā)，加載速度為1 m/s。由3 種截面構型試件壓潰過程中的典型載荷-位移曲線如圖6 所示?？芍?，試件均為漸進壓潰式破壞，其中，相較于帽形及Ω 形試件，C1 型試件載荷到達峰值后下降更加明顯，且進入穩(wěn)定壓潰階段的載荷較其他兩種構型低。在相同觸發(fā)模式及加載速度下，帽形及Ω 形試件的初始峰值載荷、平均壓潰載荷及比吸能較接近。帽形及Ω 形試件的平均壓潰載荷較C1 型試件分別高出14.1%和14.6%，比吸能較C1 型試件分別高出14.3%和14.8%，如圖7 所示。其中，帽形及Ω 形試件的初始峰值載荷相對較高，主要原因是受截面構型和觸發(fā)模式的共同影響。

圖6 不同截面構型試件壓潰過程中的典型載荷-位移曲線Fig. 6 Typical force-displacement curves of the specimens with different cross-section shapes

圖7 不同截面構型試件吸能特性對比Fig. 7 Comparison of energy-absorption characteristics of the specimens with different cross-section shapes

試驗機壓頭接觸試件后，試件頂部材料發(fā)生彎曲，層間開裂使得內層碳纖維布向內彎曲，外層碳纖維布向外彎曲，與此同時，在壓頭作用下，試件產生大量較短的層內裂紋，最后在層內裂紋根部發(fā)生剪切失效，形成大量碎片并脫落，如圖8 所示。在試件壓潰過程中，主要通過材料的彎曲、分層、剪切破壞，以及壓潰區(qū)之間的摩擦、壓潰區(qū)與壓頭之間的摩擦吸能。

圖8 不同截面構型試件加載過程中的破壞情況（加載速度1 m/s）Fig. 8 Failure modes of the specimens with different cross-section shapes during loading (loading speed: 1 m/s)

由回收后的試件（見圖9）可以看出，C1 型試件殘留的碎片尺寸最大，帽形次之，Ω 形最小。C1 型及帽形試件部分外層碳纖維布在拐角處由于應力集中，形成了較長的軸向撕裂區(qū)域，C1 型試件部分內層碳纖維布向內發(fā)生彎曲折疊，同時保留了部分較完整的碳纖維布。殘留的碎片尺寸大、較完整的碳纖維布多表明試件在壓潰過程中破壞不充分，不利于結構承載與能量吸收。因此C1 型試件平均壓潰載荷及比吸能較低。Ω 形試件在壓潰過程中不存在應力集中現象，材料破壞充分，平均壓潰載荷及比吸能較高。帽形試件由于拐角過渡較平緩，應力集中有所緩解，材料的破壞較充分，因此其平均壓潰載荷及比吸能與Ω 形試件相當。

圖9 加載速度為1 m/s 時不同截面構型試件的破壞形貌Fig. 9 Failure morphology of the specimens with different cross-section configurations under loading speed of 1 m/s

2.2 截面長寬比的影響

為研究截面長寬比對復合材料薄壁結構吸能特性的影響，選取C1 型、C2 型及C3 型試件，觸發(fā)模式均為45°倒角觸發(fā)，加載速度1 m/s。圖10 為3 種長寬比試件加載過程中的典型載荷-位移曲線，圖11 為不同長寬比試件吸能特性對比。由圖10～11可以看出，3 種長寬比試件的載荷-位移曲線較接近，其中，C1 型試件平均壓潰載荷較C2 型和C3 型試件分別高出6.4% 和5.1%，比吸能較C2 型和C3 型試件分別高出6.4%和5.0%。

圖10 不同截面長寬比試件壓潰過程中的典型載荷-位移曲線Fig. 10 Typical force-displacement curves of the specimens with different section aspect ratios

圖11 不同長寬比試件吸能特性對比Fig. 11 Comparison of energy-absorption characteristics of the specimens with different section aspect ratios

3 種長寬比試件的破壞模式較相似，在拐角處均存在碳纖維布的軸向撕裂，殘留的材料碎片寬度均與試件的厚度相當（如圖9(a)、圖12 所示），因此吸能特性較接近。但壓潰過程中形成碎片的長度與試件的尺寸相關，這也是3 種長寬比試件吸能特性存在一定差異的原因。

圖12 不同截面構型試件破壞形貌Fig. 12 Failure morphology of the specimens with different cross-section shapes

2.3 觸發(fā)模式的影響

為研究觸發(fā)模式對復合材料薄壁結構吸能特性的影響，選取45°倒角觸發(fā)及15°尖頂觸發(fā)的C1 型及帽形試件，加載速度為1 m/s。圖13 為不同觸發(fā)模式的C1 型和帽形試件在壓潰過程中的典型載荷-位移曲線，圖14 為不同觸發(fā)模式試件吸能特性對比?？梢钥闯?，在壓潰初始階段，采用15°尖頂觸發(fā)時，載荷-位移曲線到達載荷峰值的時間顯著增加，但穩(wěn)定壓潰階段，兩種觸發(fā)模式的載荷-位移曲線差別較小。對于C1 型試件，采用45°倒角觸發(fā)在降低峰值載荷方面效果更好。而采用15°尖頂觸發(fā)時，其載荷-位移曲線在壓頭向下加載到約4 mm 即壓頭下降到拐角處時，出現一個小平臺段，之后載荷繼續(xù)上升，且曲線斜率增大，這是由于該觸發(fā)方式在試件拐角以上區(qū)域削弱過多，而拐角以下削弱程度不夠，未充分誘導結構的漸進破壞，試驗構型與觸發(fā)方式匹配較差。對于帽形試件，采用15°尖頂觸發(fā)可消除初始載荷尖峰，并且壓潰載荷效率可以達到89.50%，說明該帽形試件與響應的頂部觸發(fā)方式匹配較好。試件尖頂壓潰過程中，形成的碎片更小，如圖15 所示，表明試件頂部破壞更加充分。

圖13 不同觸發(fā)模式試件典型載荷-位移曲線Fig. 13 Typical force-displacement curves of the specimens with different trigger methods

圖14 不同觸發(fā)模式試件吸能特性對比Fig. 14 Comparison of energy-absorption characteristics of the specimens with different trigger methods

圖15 尖頂觸發(fā)試件加載過程中破壞情況Fig. 15 Failure modes of the specimens with steeple trigger method

由此也可知，在2.1 節(jié)中，帽形及Ω 形試件的初始峰值載荷相對較高，主要原因是不同截面構型復合材料薄壁結構最優(yōu)的觸發(fā)方式有所不同，45°倒角觸發(fā)方式對帽形及Ω 形試件的削弱程度不夠，并非最優(yōu)的觸發(fā)模式，在未來工作中，將對倒角及尖頂的角度進行進一步優(yōu)化，從而有效降低不同構型復合材料薄壁結構的峰值載荷。

2.4 加載速度的影響

為研究加載速度的影響，對比了0.01、0.1 和1 m/s 加載速度下，C1 型、帽形及Ω 形試件的吸能特性。圖16～17 為3 種構型試件在不同加載速度下的典型載荷-位移曲線和吸能特性對比。由圖17 可知，當加載速度提高時，3 種構型試件的初始峰值載荷、平均壓潰載荷及比吸能均有一定程度的下降。當加載速度從0.01 m/s 提高到1 m/s 時，C1 型、帽形及Ω 形試件的平均壓潰載荷分別下降6.1%、10.9%和6.1%，比吸能分別下降6.2%、11.0%和6.2%。3 種構型試件比吸能隨加載速度變化情況如圖18所示，由圖18 可知，隨著加載速度的提高，相較于C1 型和Ω 形試件，帽形試件的比吸能下降更加明顯。

圖16 不同加載速度下的典型載荷-位移曲線Fig. 16 Typical force-displacement curves of the specimens with different loading speeds

圖17 不同加載速度的試件吸能特性對比Fig. 17 Comparison of energy-absorption characteristics of the specimens with different loading speeds

圖18 不同構型試件比吸能隨加載速度變化情況Fig. 18 Variation of specific energy absorption of the specimens of different section shapes with loading speed

對比圖19（加載速度0.01 m/s）和圖6（加載速度1 m/s）試件在壓潰過程的破壞情況可以看出，當加載速度為0.01 m/s 時，試件在壓潰過程中飛出的材料碎片較少，材料破壞充分。由試件破壞端口形貌可知，壓潰端部保留了更多的材料碎片，并且層束更加雜亂、扭曲（見圖20），表明壓潰區(qū)域經歷了與壓頭充分摩擦與壓實的過程，在一定程度增大了結構承載面積。而當加載速度為1 m/s 時，試件在壓潰過程中有大量的材料碎片飛出，從而降低了結構承載面積及材料利用率，減少了壓頭與壓潰區(qū)之間、層束與碎片之間的摩擦吸能作用，因此試件的初始峰值載荷、平均壓潰載荷及比吸能下降。

圖19 不同截面構型試件加載過程中破壞情況（加載速度0.01 m/s）Fig. 19 Failure modes of the specimens of different cross-section shapes during loading (loading speed: 0.01 m/s)

圖20 加載速度為0.01 m/s 時不同截面構型試件破壞形貌Fig. 20 Morphology of the specimens of different section shapes under loading speed of 0.01 m/s

3 結 論

基于高速液壓伺服試驗系統(tǒng)，開展了開剖面復合材料薄壁吸能結構的軸向壓縮試驗，分析了截面構型、截面長寬比、觸發(fā)模式及加載速度對其吸能特性的影響，得到如下主要結論。

(1) 對于不同構型的CCF300/8552A 復合材料薄壁吸能結構，在不同加載速度下均表現為破碎型失效模式。結構壓潰過程中主要通過材料彎曲、分層、剪切破壞以及壓潰區(qū)之間的摩擦吸能。其中摩擦吸能在結構壓潰吸能過程中起著重要作用。

(2) 截面構型對復合材料薄壁結構的吸能特性影響顯著，由于應力集中引起的材料破壞不充分是C1 型試件吸能效果較帽形及Ω 形差的主要原因。采用過渡光滑的截面構型可降低應力集中效應，從而提高結構的吸能效果。

(3) 截面長寬比對復合材料薄壁結構吸能特性有一定影響，但影響不如截面構型的影響顯著，試件壓潰后形成碎片的長度與試件的尺寸相關，這也是3 種截面長寬比試件吸能特性存在差異的主要原因。

(4) 觸發(fā)模式的不同主要影響復合材料薄壁結構的初始壓潰階段，對穩(wěn)定壓潰階段影響較小。對于C 形試件采用45°倒角觸發(fā)效果更好，但觸發(fā)角度仍有再優(yōu)化的空間；對于帽形試件，15°尖頂觸發(fā)為最優(yōu)的觸發(fā)方式。

(5) 隨著加載速度的提高，復合材料薄壁結構的平均壓潰載荷及比吸能減小。這是由于加載速度的提高會導致更多的材料碎片飛出，從而降低了結構承載面積及材料利用率，同時減少了壓潰區(qū)的摩擦吸能。