纖維金屬帽形結構低速沖擊力學性能研究

張 鑫，扈長智，劉皓林，侯文彬

(大連理工大學 汽車工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

纖維金屬層板是一種由金屬合金與纖維/樹脂復合材料采用膠接技術交替層壓制成的超混雜復合材料，具有高比強度、比剛度及優良的耐腐蝕性和耐疲勞特性等優點，被廣泛用于航空航天等領域[1]。纖維金屬層板綜合了傳統纖維復合材料和金屬合金材料的優點，克服了單一復合材料和金屬材料的不足[2]。纖維金屬層板具有良好的抗沖擊性能、阻尼性能和輕量化效果，發展前景廣闊，具有較高的研究價值。

目前，研究纖維金屬層板的低速沖擊性能主要是通過落錘沖擊實驗和仿真模擬的方法。胡海威[3]對纖維金屬層板低速沖擊的力學行為和損傷機理進行分析，并研究尺寸形狀、鋪層方式、邊界條件、沖擊能量等參數對其抗沖擊性能的影響，在數值仿真中為了提高模型的計算速率并未考慮玻璃纖維真實應變率效應，只是對材料的強度適當地提高，滿足在一定范圍內的仿真需求；陳勇等[4-5]建立了考慮塑性應變、壓縮剛度衰減特征和纖維拉伸斷裂損傷的復合材料連續介質損傷力學模型，并研究低溫處理對于玻璃纖維增強鋁合金層板低速沖擊力學特性的影響，得出低溫可提高其抗沖擊性能的結論；Nakatani等[6]研究玻璃纖維金屬層板的低速沖擊問題，結果表明沖擊后在金屬層板完好的情況下玻璃纖維芯層會出現小的分層；涂文瓊等[7]同樣研究纖維金屬層板在低速沖擊載荷作用下的抗分層性能，結果表明纖維金屬層板比純纖維增強的復合材料層板吸能更多，當金屬層布置在層合板表層時，結構的抗分層能力更為優秀。馬玉娥等[8]對玻璃纖維金屬層板進行了落錘試驗，分析纖維金屬板的動態沖擊響應并根據各能量下的損傷情況總結其損傷規律。蔡艷等[9]對纖維金屬層板低速沖擊進行研究，結果表明測量點的位移和最大塑性變形隨著沖擊能量的增加逐漸增大，在沖擊過程中玻璃纖維先發生破壞，然后鋁合金層出現裂紋。

在鋁合金、碳纖維和纖維金屬層板的高速沖擊研究中主要是采用彈道實驗和數值模擬的方式。康欣然[10]考慮并研究鋪層形式、鋁合金比重、構型以及沖擊物尺寸對纖維金屬層板抗沖擊性能的影響；許明明[11]研究了3種彈頭沖擊侵砌下碳纖維織物和碳纖維增強鋁合金層板的變形過程、失效模式和彈道防護性能，同時考慮應變率對于材料力學性能的影響；朱艷榮[12]在碳纖維增強復合材料本構模型中增加應變率修正公式，使材料參數變成隨應變率變化的動態參數，并通過彈道實驗對提出的模型進行了驗證；黃橋平等[13]建立考慮應變率效應的復合材料粘彈性本構模型并從層合板抗沖擊性能的角度提出有效沖擊時間的概念；葉拓等[14]利用實驗研究不同應變率和不同溫度對于鋁合金動態力學行為的影響；呂俊智[15]研究鋁合金層狀復合材料流動應力受應變率效應的影響并歸納出動態力學特性變化規律、動態損傷本構模型的影響規律和裂紋形成與擴展規律。

在低速沖擊實驗的研究中，主要是采用平板結構，考慮邊界條件、低溫處理、鋪層形式、結構尺寸和沖擊物的大小等因素對于沖擊性能的影響，并研究抗分層性能的影響因素以及損傷破壞情況，很少考慮材料的應變率效應，沒有深入分析應變率對于材料性能的影響，使得數值仿真的結果十分受限，并且進行低速沖擊實驗的結構大多采用平板結構，對于其它結構缺乏研究，對于現實生活中應用于各種抗沖擊結構中的指導性不強。而在高速沖擊實驗的研究中則充分考慮了材料的應變率效應，通過建立新的本構模型和修正公式來研究復合材料的應變率效應，通過分析實驗結果來研究金屬材料的應變率效應，研究得更為深入和細致，這對于低速沖擊實驗的研究具有借鑒意義。

因此，在低速沖擊實驗的研究中，采用纖維金屬混合材料帽形結構進行實驗；通過對碳纖維和鋁合金動靜態參數的測定來分析材料的應變率效應，探討材料應變率與性能參數之間的關系；將動態參數應用于帽形結構低速沖擊實驗的仿真中，驗證參數的準確性。

1 材料力學性能參數的測定

帽形結構所用到的材料為熱固性編織型碳纖維增強復合材料和6061-T6鋁合金，利用落錘機和夾具測定碳纖維的拉伸、剪切、壓縮力學性能參數和鋁合金的拉伸性能參數。進行動態參數的測定所用樣件尺寸如圖1所示。左圖為拉伸和剪切樣件的尺寸，碳纖維拉伸和剪切實驗采用2 mm厚的樣件，鋁合金拉伸實驗采用1 mm厚的樣件；右圖為碳纖維壓縮實驗樣件尺寸，厚度為6 mm；所有樣件整體尺寸均為63 mm×19 mm。圖2為實驗樣件實物圖，從左到右依次為碳纖維拉伸、剪切、壓縮樣件和鋁合金拉伸樣件。

圖1 動態參數測定實驗樣件尺寸

圖2 動態參數測定實驗樣件實物圖

動態力學性能測試實驗由落錘機和所設計的夾具完成，圖3所示為落錘試驗機和實驗場景，Liu等[16]對于拉伸實驗和壓縮實驗所用夾具的原理進行了介紹，如圖4所示。左圖為動態拉伸實驗所用夾具原理圖，實驗樣件的上端與固定框架連接在一起，下端與移動框架連接在一起，彈性塊承受來自落錘的沖擊力使移動框架向下移動，從而實現對實驗樣件的拉伸；右圖為動態壓縮實驗所用夾具原理圖，實驗樣件直接與底座相連，通過落錘沖擊彈性塊直接實現對樣件的壓縮。為平衡受力，在拉伸和剪切實驗中采用聚氨酯橡膠彈性塊，在壓縮實驗中采用膠乳橡膠彈性塊。

圖3 動態實驗工作場景

圖4 材料動態參數測試夾具原理圖

實驗時上下力傳感器分別通過信號放大器與采集卡相連，采集卡將力的信息傳輸到電腦上，高速攝像機采集預先在表面噴涂好散斑的試驗樣件照片信息，經過DIC處理可獲得應變信息，最終得到各自的應力應變曲線，斜率即為彈性模量。通過式(1)和(2)來計算碳纖維拉伸、剪切強度。碳纖維壓縮強度和鋁合金拉伸強度計算方法與碳纖維拉伸強度相同，由于鋁合金沒有明顯的屈服平臺，所以以產生0.2%的變形處的應力來得到屈服強度。

(1)

式中：σt為拉伸強度，MPa；Ftmax為最大拉伸載荷，N；A為拉伸樣件的橫截面積，mm2。

(2)

式中：τ12為面內剪切應力，MPa；F12max為剪應變不大于5%處的最大載荷，N；A為剪切樣件的橫截面積，mm2。

碳纖維和鋁合金的靜態參數通過拉伸機測得，碳纖維的靜態參數采用已經測得的數據，鋁合金根據ASTM標準設計拉伸實驗樣件，樣件的具體尺寸、實物圖及拉伸后的斷裂情況如圖5所示，樣件厚度為2.5 mm，萬能拉伸試驗機速度設為2 mm/min。拉伸實驗機系統可以實現載荷的施加與載荷位移曲線的記錄，得到的載荷位移曲線如圖6所示。

圖5 鋁合金靜態拉伸實驗樣件及尺寸

圖6 鋁合金靜態拉伸載荷位移曲線

實驗樣件提前噴涂散斑采用DIC技術測得應變信息，應變隨時間變化曲線如圖7所示，參數計算方法與動態參數相同。

圖7 鋁合金靜態拉伸應變時間曲線

對碳纖維和鋁合金的動靜態參數進行匯總，如表1所示。碳纖維的拉伸強度、壓縮強度、剪切強度均有所減弱，拉伸彈性模量、壓縮彈性模量變化不大，面內剪切彈性模量大幅度的減弱；鋁合金的抗拉強度和屈服強度有所增加，而彈性模量、泊松比、拉伸失效應變變化不大。總體來看，碳纖維和鋁合金都具有應變率效應。

表1 材料靜態參數和動態參數比較

2 材料的應變率效應

應變率是材料的應變對于時間的導數，應變率效應是指材料的力學性能會隨應變率的大小發生變化的現象。文獻[17]將線彈性模型與威布爾函數相結合，通過對比碳纖維增強鋁合金層合板在不同拉伸應變率下的力學響應，得到碳纖維增強鋁合金層合板是應變率敏感材料的結論，并給出了拉伸強度和斷裂應變隨應變率的變化關系。

(3)

(4)

碳纖維的材料參數與對應的應變率之間的關系：

鋁合金的拉伸性能參數與拉伸應變率的關系:

由于碳纖維和鋁合金的強度受應變率的影響較大，而材料的強度由最大應力決定，所以進一步探究材料的應變率對于材料應力的影響，深入研究材料的應變率效應。分別用指數函數、三次多項式、冪函數擬合應力與應變率之間的關系，對于碳纖維拉伸、剪切、壓縮應力以及鋁合金的拉伸應力與相對應的應變率之間的關系擬合的結果如圖8、9所示。

圖8 碳纖維應力隨應變率變化曲線

圖9 鋁合金拉伸應力隨應變率變化曲線

擬合后的三次多項式依次表示為：

σ<250時

250≤σ<450時

從圖中可以直觀地看出，在低應變率范圍之內，碳纖維的拉伸應力和剪切應力隨著應變率的增加而增加，而壓縮應力則隨著應變率的增加而減小；鋁合金的拉伸應力在應力值較低的范圍之內隨著應變率的增加而增加，在應力值較高的范圍之內隨著應變率的增加而減小。在3種函數對于應力和應變率之間的關系進行擬合的結果中可以得出，三次多項式具有較好的擬合效果，并且擬合優度均達到了0.9以上，這說明在一定范圍之內，三次多項式可以很好的表示材料應力與應變率之間的關系。

在應力與應變率的擬合三次多項式關系中能夠清晰的體現出應力變化的快慢，為進一步分析應變率對于強度影響的內在機制奠定良好的基礎。碳纖維的拉伸應力隨著拉伸應變率的增加變化速度越來越快，應變率效應加速了碳纖維拉伸應力達到極限值的過程，從而使得最大拉伸強度降低，剪切強度表現出了與拉伸強度相同的規律，這與實驗測得的動態拉伸強度和剪切強度有所降低的參數測量結果一致；而壓縮應變率整體變化范圍比較小，隨著壓縮應變率的增加，壓縮應力降低的速度沒有明顯的變化，僅在某一范圍內出現了加速的趨勢，壓縮應力與壓縮應變率之間呈現出接近線性的關系，應變率效應對于壓縮強度的影響不大，動態參數較靜態參數的降低也有所減少；在應變率對于鋁合金拉伸強度的影響中則表現出了更為復雜的影響機制，在某一個應力值的前后表現出了隨著應變率增大先增加后降低的趨勢，并且這一應力值接近于準靜態情況下測得的拉伸強度，在兩段不同的變化范圍內應變率的增加都加快了變化的速度，這說明鋁合金的拉伸應力在接近這一特定值時受應變率的影響較大，因而遠離這一特定值時放緩了應力達到極限值的速度，進而強度值增大。

3 帽形結構低速沖擊實驗與仿真

3.1 帽形結構制備與低速沖擊實驗

進行落錘沖擊所需的實驗樣件通過高溫熱壓成型制備，選用的碳纖維和鋁合金與進行參數測定的材料相同，先將鋁合金在模具上預壓出上層和下層帽形結構，再將4層碳纖維與預壓的鋁合金按照一定堆疊順序整體放入熱壓機中一體成型，最后將整個模具放在模壓成型機中加熱加壓成型，所選用壓力和溫度與制備碳纖維參數測試樣件時相同，固化結束后停止機器工作，自然冷卻。帽形結構上層和下層是0.5 mm厚的鋁合金，中間是1 mm厚的碳纖維，碳纖維均采用0°鋪層，共2 mm的厚度，帽形結構的截面尺寸如圖10所示。

圖10 帽形結構截面尺寸圖

實驗時，帽形結構采用兩端固支的方式固定在夾具上，中間預留出245 mm的工作長度，錘頭上的力傳感器通過信號放大器與采集卡相連，將錘頭受力信息傳入到電腦中。圖11展示了落錘沖擊實驗準備場景，包含信號采集系統和樣件固定方式。

圖11 落錘沖擊實驗信號采集系統和樣件固定方式

錘頭加上配重的質量一共為26 kg，實驗過程中將錘頭分別升至204、319、459 mm的高度，獲得2、2.5、3 m/s的初速度，每個速度下進行了3次沖擊實驗，對3次實驗的結果取平均值，帽形結構在不同的沖擊速度下所受的沖擊力隨時間的變化曲線如圖12所示。

圖12 不同沖擊速度下的力隨時間變化曲線

3.2 帽形結構低速沖擊仿真分析

為驗證動態參數應用于動態沖擊實驗仿真中的有效性，分別使用2種參數對落錘沖擊實驗的結果進行仿真模擬。首先建立幾何模型，再將幾何模型導入到Hypermesh中進行前處理，固定兩端節點的自由度，在受力較集中的區域細化網格，保證計算精度。落錘沖擊實驗仿真模型如圖13所示。

圖13 落錘沖擊實驗仿真模型

在材料的選擇上，碳纖維采用LS-DYNA中的MAT58號材料進行模擬，根據破壞表面的類型，該材料可用于模擬具有單向層、完整層壓板和機織物的復合材料，失效準則以Hashin失效準則為基礎，可以有效地判斷復合材料的拉伸、壓縮、剪切失效，其中的漸進失效參數需要不斷地嘗試、對標得出，如表2所示。

表2 碳纖維漸進失效參數

鋁合金采用MAT24號材料來進行模擬，由于材料在彈性階段的應力應變曲線相同，所以彈性階段用彈性模量表示，在應力應變曲線輸入中僅需輸入塑性階段應力應變曲線。纖維層和金屬層通過熱壓成型高溫固化相連接，2種材料中間的截面則是通過定義接觸類型*CONTACT_AUTOMOTIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBRACK來進行模擬，考慮張開型、滑開型和斷裂型3種失效模式，所用到的參數如表3所示。

表3 膠接層材料參數

采用動態參數和靜態參數分別對3個沖擊速度的實驗進行了仿真，并與實驗結果進行比較。帽形結構最終的破壞情況在仿真中的結果如圖14所示，在2 m/s和2.5 m/s的沖擊速度下，帽形結構未發生斷裂，只是在受力區域出現了凹陷，且沖擊速度越大，凹陷的范圍越大，在3 m/s的沖擊速度下出現了斷裂，與實驗結果一致。力隨時間變化曲線如圖15所示。與實驗結果相比，動態參數仿真結果在峰值力上略低于真實值，在有效沖擊時間上略大于真實時間，這可能是實驗誤差以及仿真條件過于理想化等因素造成的；動態參數與靜態參數仿真結果相比，更加接近真實地動態沖擊過程，在誤差允許的范圍內可以有效模擬動態沖擊實驗。

圖14 帽形結構低速沖擊實驗結果

圖15 帽形結構低速沖擊力隨時間變化曲線

3.3 帽形結構低速沖擊實驗分析

對于不同速度下的沖擊實驗進行分析，探究纖維金屬材料帽形結構沖擊速度對于帽形結構抗沖擊性能的影響，對所得到的力隨時間的變化曲線進行處理，由沖擊力隨時間變化曲線根據牛頓第二定律得到加速度對時間變化曲線，再按照式(5)進行積分運算得到速度隨時間變化曲線，再按照式(6)進行積分運算得到位移隨時間變化曲線，按照式(7)計算吸收的能量。不同沖擊速度下采用纖維金屬帽形結構的吸收能量隨時間變化曲線如圖16所示，相關性能參數見表4。

表4 不同沖擊速度下帽形結構相關性能參數

圖16 不同沖擊速度下吸收能量隨時間變化曲線

(5)

(6)

(7)

通過分析可知，隨著沖擊速度的增加，整個沖擊過程所用時間越短，達到的有效位移越小，吸收的能量越多，達到的峰值力越高，比吸能增加，吸能性能指標降低。由此可見，沖擊速度越快，對于帽形結構造成破壞的速度越快，產生的塑性變形越大直至發生斷裂，結構會承受更大的沖擊載荷，進而吸能性降低，這與現實生活中速度越快的碰撞會造成越大程度地破壞是一致的。

在2 m/s的沖擊速度下，不改變帽形結構的尺寸，對鋁合金、碳纖維、碳纖維鋁合金3種不同材料的帽形結構進行了低速沖擊仿真，仿真結果的受力曲線如圖17所示，相關性能參數見表5。鋁合金材料的帽形結構，產生了較小的變形，可以承受較高的沖擊載荷和吸收更多的能量，但是質量較高，沖擊過程中破壞速度較快，比吸能較低；碳纖維具有較輕的質量，比吸能較高，沖擊過程破壞時間較短，但是發生較大的變形，承受的沖擊載荷較低，吸能效果較差；纖維金屬材料不僅具有較好的吸能性能，而且具有較高的比吸能，因而可以更好地應用于對吸能性和輕量化要求高的結構中。

圖17 3種材料低速沖擊仿真力隨時間變化曲線(V0=2 m/s)

表5 不同材料帽形結構相關性能參數

4 結論

1)碳纖維和鋁合金2種材料在中低速應變率下都具有應變率效應，不同材料力學性能受應變率的影響不同。通過對碳纖維和鋁合金動靜態參數的對比分析，結果表明應變率主要通過影響材料的強度來影響材料性能；進一步分析應變率影響材料強度的機制，碳纖維和鋁合金表現出了不同的規律，三次多項式可以很好地擬合應變率與應力之間的關系，應變率主要通過影響應力的變化速率來影響材料的強度；對纖維金屬材料帽形結構的低速沖擊實驗仿真分析發現，動態參數具有較好的擬合效果，驗證了考慮材料應變率效應的必要性。

2)纖維金屬材料具有較好的吸能效果和輕量化效果。纖維金屬材料在抗沖擊性能研究中，在不同的沖擊速度下都表現出了較好的吸能效果；在與碳纖維和鋁合金的比較中同樣具有優良的抗沖擊性能，因而纖維金屬材料具有十分重要的研究價值。