三維機織復合材料彈道沖擊試驗研究

劉志強，王禎鑫，宣海軍，何澤侃

1.中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 201306

2.浙江大學，浙江 杭州 310027

民用飛機需考慮經濟性，其中發動機減重是一個需要考慮的問題。復合材料（簡稱復材）密度小、強度大，近年來，碳纖維增強樹脂基復合材料在國外的飛機、發動機中已經得到較為廣泛的應用[1-3]。通用電氣航空公司為波音787研制的GEnx 發動機的風扇機匣即為碳纖維全復合材料結構，這是第一次將復合材料用于大型發動機機匣，該復合材料機匣在滿足包容性要求的前提下，比金屬機匣輕154kg，可使一架飛機減輕質量363kg，而且不會被腐蝕，便于維護。LEAP發動機是第二種采用全復合材料風扇機匣的發動機，斯奈克瑪公司將三維機織樹脂轉移成形技術用于制造風扇葉片、機匣[4]，輕質復合材料的使用可以使裝該發動機的飛機每架減重約450kg。可見，碳纖維增強樹脂基復合材料風扇包容機匣是新一代航空發動機的重要應用方向。風扇葉片、機匣是航空發動機的關鍵部件，包容性設計是航空發動機安全可靠工作必須考慮的問題，適航條款和軍用規范都對其提出了要求[5-6]。碳纖維增強樹脂基復合材料包容性研究對航空發動機研制具有重要意義[7]。

通常聚合物基復合材料在受到沖擊載荷時可能的失效模式包括基體變形和起裂、界面脫黏、剪切充塞、分層、纖維斷裂和纖維拔出[8]。層合結構復材受到沖擊時分層損傷現象最明顯但是吸收能量極低，而三維機織能夠克服層合復合材料層間強度低、易分層的缺陷，還具有良好的抗沖擊、較高的損傷容限、耐疲勞以及耐磨損、耐燒蝕的能力。

對于高性能纖維三維機織結構，目前國內外對其力學行為和數值仿真方法的研究仍處于起步發展階段，積累的試驗數據、仿真技術和對其損傷失效機理的闡釋還比較欠缺[9-10]。練軍[11]采用芳綸制作了兩種規格的三維編織平板進行打靶試驗，發現正面以壓縮和剪切破壞為主，反面以拉伸破壞為主，仿真結果顯示，機織物預制件是主要的吸能體，并且彈道侵徹過程中預制件和基體同時達到能量的最大值，說明二者經過復合后具有結構整體性。譚煥成等[12]進行了碳纖維三維機織平板打靶試驗，研究圓柱彈體撞擊平板不同高度的影響。結果發現，平板背彈面因纖維斷裂形成鼓包，在平板高度90%處，彈體在迎彈面形成U 形豁口，并且隨著撞擊高度的增高，彈道極限增加。張超[13]對紗線軌跡進行分析，將三維機織復合材料劃分為內胞、面胞和角胞，建立了三單胞模型，引入失效模式的Tsai-Wu張量準則，對三維四向復合材料進行單向拉伸損傷分析及強度預測，發現小機織角材料呈脆性斷裂特征，具有較高的拉伸強度；大機織角材料拉伸模量和破壞強度均小于小機織角材料，應力—應變曲線呈現一定的非線性，材料具有一定的延展性。

本文通過彈道沖擊試驗研究三維機織復合材料平板在高速物體沖擊下的損傷失效機制及其力學行為，采用高速相機記錄靶板受沖擊產生的損傷變化過程，分析了不同速度對三維機織復合材料平板損傷形貌的影響。

1 試驗件

三維機織復合材料平板由T700-12k 碳纖維和雙馬來酰亞胺樹脂BMI-x組成。T700是一種高強度纖維，具有很高的拉伸強度。BMI 樹脂是高性能熱固性聚合物，固化BMI系統的典型特性包括高玻璃轉化溫度（230～380℃）、良好的熱濕性能、恒定的電氣特性和低可燃性[14]。碳纖維和樹脂性能參數見表1。

表 1 碳纖維和樹脂性能參數Table 1 Performance parameters of carbon fiber and resin

采用不同的織造方式使碳纖維在空間中產生不同的走向，會對復合材料性能造成很大影響。本試件尺寸為150mm×150mm×8mm（長×寬×高），三維機織結構由平面方向的經紗、緯紗和厚度方向的接結紗組成，三者互相正交，平板實物如圖1所示，詳細參數見表2。

表 2 復材機織平板結構參數Table 2 Structural parameters of woven composites plate

圖1 三維機織復材平板Fig.1 3D woven composites plate

2 試驗方案

三維機織復材平板的彈道沖擊試驗主要設備為一級空氣炮試驗系統，原理如圖2所示。

圖2 一級空氣炮原理圖Fig.2 Structural schematic diagram of one-stage gas gun

試驗采用鈍頭圓柱彈，直徑為15mm，高25.43mm，頂端半徑為65mm，材料為TC4鈦合金，質量約為19.7g。使用圓柱彈托夾持以便進行發射，彈體底部采用泡沫填充，如圖3所示，在炮管出口安裝有彈托分離器，可以在彈體沖擊靶板前將彈體與彈托分離，彈托分離器如圖4 所示。靶板通過相框式工裝壓緊，實現四邊固支，安裝后靶板有效尺寸為140mm×140mm×8mm，如圖5 所示。試驗中采用了三臺高速相機，如圖6所示，相機1位于靶板正上方，用來測量彈體入射速度和剩余速度，相機2和相機3分別位于靶板的斜前方和斜后方，用來拍攝彈體撞擊入射面和彈體擊穿靶板的情況。

圖3 彈體和彈托Fig.3 Missile and slot

圖4 彈托分離器Fig.4 Slot separator

圖5 靶板工裝Fig.5 Fixtures of target plate

圖6 試驗現場高速相機安置Fig.6 Distribution of high speed cameras at testing site

3 試驗結果與分析

本文一共進行了10次平板打靶試驗，結果見表3，復材平板產生了不同的損傷破壞和剩余速度，其中7 次彈體回彈，3次靶板被擊穿，最低擊穿速度的吸收能量略低于回彈情況下最高吸收能量。入射動能和吸收動能關系如圖7所示（其中“·”為回彈，“?”為擊穿），在靶板被擊穿前，靶板能量吸收與入射動能基本呈線性關系，7次彈體回彈的結果入射動能和吸收動能線性擬合優度R2為0.9276。圖8、圖9為所有試驗靶板的表面損傷情況匯總。10次試驗靶板損傷相似，通常在靶板入射面上有一個與圓柱彈大小相同的干凈圓形損傷區域，說明入射面的主要破壞模式是纖維剪切破壞和和基體壓潰失效。試驗后BMI-x樹脂在入射面和出射面的損壞區域顏色變為淺黃色，樹脂基體在入射表面沿90°方向有明顯失效，沿機織方向同樣出現了基體顏色變化。出射面損傷呈橢圓形鼓包，大量的紗線拉出，基體沿著機織走向失效呈銳角十字形，說明主要破壞方式是纖維拉伸斷裂和基體開裂。比較10次試驗的側視圖，顯示出出射面的鼓包高度隨著彈體入射速度的增大而增大，但是入射面和出射面的損傷區域卻并沒有擴大，說明損壞都非常局部化，這表明三維機織復合材料具有優異的抗裂紋萌生和擴展能力。

圖7 入射動能—吸收能量變化趨勢Fig.7 Variation tendency between incident kinetic energy and absorbed energy

圖8 靶板損傷結果匯總Fig.8 Summary sheet of target plate damages

圖9 靶板損傷結果匯總(6～10次試驗)Fig.9 Summary sheet of target plate damages(test of 6～10)

表3 彈道沖擊試驗結果匯總Table 3 Summary sheet of ballistic impact test results

通過高速攝像記錄彈體對平板的破壞過程，以試驗1為例，彈體接觸到靶板后，以彈體與靶板接觸面為圓心，產生了一個淺黃色圓形損傷區，隨后樹脂沿纖維機織方向形成了兩條淺黃色損傷區域，同時靶板整體以彈體為中心凹陷，90°方向出現了明顯的大面積損傷區域，說明靶板正面受到彈體沖擊后，首先沿著機織走向失效，之后隨著靶板整體變形，靶板橫向受到了主要沖擊。通過高速攝像拍攝的靶板背面破壞過程，可以看到在對應入射面彈體擊中位置平板背面首先出現了一個淺黃色圓形損傷區，隨后噴射出大量樹脂和纖維碎片，并且樹脂迅速隨著纖維機織方向形成了兩條淺黃色損傷區域，說明靶板背面首先是沿著機織方向產生破壞。

4 結束語

三維機織復合材料提供了顯著的面內強度和面外特性。當遭受沖擊載荷時，損傷非常局部化，表明三維機織復合材料具有優異的抗裂紋萌生和擴展性。發現沖擊表面的主要破壞模式是纖維剪切破壞和基體破碎；在出口表面，主要破壞模式是纖維拉伸斷裂和基體開裂。

高速相機的記錄顯示了靶板受沖擊時沿著纖維機織方向損傷，并且靶板正面沿90°方向出現了更嚴重的損傷，說明靶板主要受到橫向沖擊。擊中位置平板背面首先出現了一個淺黃色圓形損傷區，隨后噴射出大量樹脂和纖維碎片，并且樹脂迅速隨著纖維機織方向形成了兩條淺黃色損傷區域，說明靶板背面首先是沿著機織方向產生破壞。

未來的工作包括通過X射線CT掃描、光學顯微鏡等手段觀測三維機織平板材料的內部、表面及邊緣的纖維機織結構，分析沖擊的破壞形態和破壞模式，對復合材料和樹脂開展一系列靜態和動態測試，研究樹脂基體對三維機織復合材料的損傷失效和力學行為的影響，建立有限元模型進行仿真分析。