混杂方式对CF/GF/环氧混杂复合材料低速冲击性能的影响

赵士成，王振清，郭建明，杨斌

(哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

混杂复合材料是指2种或2种以上的纤维增强同一种树脂基体而构成的复合材料［1］。与传统增强纤维相比，碳纤维具有高强度、高模量等特性。然而，碳纤维作为增强纤维的冲击韧性相对于其他纤维(如玻璃纤维)增强复合材料低得多［2］。与玻璃纤维的混杂，可以优势互补，从而使得到的复合材料具有较佳的综合性能。

国内外学者对环氧树脂基混杂复合材料的研究开展不久［3－6］。国外也有很多学者开始对混杂复合材料层合板的冲击性能做了研究［7－9］。但目前对碳纤维和玻璃纤维共同增强环氧树脂基复合材料的低速冲击性能的研究还很少。本文采用ABAQUS有限元软件低速冲击载荷下的相应情况进行了仿真。自20世纪90年代以后，渐进损伤破坏分析理论发展起来，结合刚度退化理论，为预测层合板各种损伤的起始和发展提供了一个较好的方法和途径［10－13］。因此，本文编写了用户材料子程序VUMAT，并且基于表面内聚力方法，考虑纤维界面的分层破坏，建立了混杂玻璃纤维增强环氧树脂低速冲击的数值模型，模拟了混杂层合板在落锤低速冲击下能量吸收、变形以及锤头接触力的变化。同时，对铺层形式对CF/GF/环氧混杂复合材料的影响进行了分析。

1 基本理论

1.1 材料逐渐累积损伤分析模型

采用复合材料的三维Hashin失效准则编写了用于显式计算的VUMAT用户子程序。该失效准则综合考虑了材料在破坏时X、Y、Z这3个方向的拉伸和压缩失效。图1给出了复合材料的三维受力示意图，即是在计算时考虑单元受到的正应力及剪切应力。

图1 单向层合板受力示意图Fig.1 Schematic diagram of stress in composite laminates

具体的失效判据如下，认为当3个方向的判定系数大于1时材料即失效:

X向拉压(纤维拉压破坏):

Y向拉压(基体断裂与屈曲):

Z向拉压(分层与压缩):

1.2 单元刚度衰减方案

当单元受到的应力满足式(1)～(6)中的材料3个方向的系数任意一个时即认为单元失效。对于失效的单元，Hashin认为不可直接将其删除，而是认为单元的各刚度参数在一定程度上衰减，本文采用表1［14］中列出的刚度衰减方案进行计算。

表1 失效单元的刚度衰减方案Table 1 Stiffness reduction methods of failure elements

1.3 材料参数及层合板铺层形式

本文分别选取碳纤维和玻璃纤维增强环氧树脂层合板的三维力学参数进行计算。层合板的弹性参数其强度在表2、3［15］中给出，冲头的力学参数如下:E=210 GPa，μ=0.3，ρ=8 859 kg/m3。

表2 不同纤维增强环氧树脂基复合材料的弹性参数Table 2 Elastic parameters of different fiber reinforced epoxy composites GPa

表3 不同纤维增强环氧树脂基复合材料的强度参数Table 3 Strength of different fiber reinforced epoxy composites MPa

1.4 有限元建模

实际冲击过程中，冲头的刚度与被冲击件相比要大很多，因此，在仿真时可以将冲头看做刚体。本文在通用有限元软件ABAQUS/Expolicit的基础上，进行了混杂复合材料低速冲击作用下的动态响应分析。层合板直径80 mm，四周全约束，冲头直径12 mm，速度5 m/s，可以计算出系统初始动能为20 J。为了满足强度要求，混杂层合板中玻璃纤维层不大于4层。因此，仿真过程中按照表5的不同混杂方式共建立了5种有限元模型，单层厚度0.192 mm，铺层角度为复合材料层合板在低速低能冲击下的损伤破坏模型表现为基体开裂、基体挤压、纤维断裂、分层。而在这些破坏形式中，分层损伤使复合材料的强度和寿命大幅下降，严重影响材料的使用。本文通过在每层复合材料的层间加入基于表面内聚力行为单元，用于模拟界面分层扩展。基于表面内聚力行为单元的本质是在材料之间加入与内聚力单元方法相似的牵引分离本构模型。同常用的裂纹分析方法相比(如内聚力单元方法)，该方法的优势在于不用像内聚力方法那样在界面处插入内聚力单元，从而避免了内聚力单元的存在和单元极度扭曲，提高了计算的收敛性。为提高计算精度，将与冲头接触的层合板网格细化，所建立的有限元模型如图2所示。

表4 GF/CF/环氧复合材料混杂铺层形式Table 4 Layer form of GF/CF/Epoxy hybrid composites

图2 有限元模型Fig.2 The finite element model

2 结果与讨论

2.1 临界穿透能

层合板的临界穿透能是衡量材料抵御冲击能力的重要指标，它定义为材料刚好被完全穿透时所需要的冲击能量。本文通过对5种不同形式的层合板进行计算，所得到的接触力－变形，能量－时间曲线如图3所示。

图3 5种层合板的接触力－变形，能量－时间曲线Fig.3 Contact force-displacement and energy-time curves of different specimens

通过图3可以看出，随着玻璃纤维布铺设位置的不同，试件承受冲击载荷时的接触力－变形曲线和能量－时间曲线有很大不同。从能量－时间曲线上可以看出，冲击能量随着接触时间增加而减小，当接触时间为2.41 ms时，冲头的冲击动能衰减到0。而此时，通过比较图4中所列的层合板破坏形式，第1种材料刚好开始出现破坏，冲头刚好能够穿透层合板。说明对于第1种复合材料层合板来说，20 J的冲击动能即为其临界穿透能。从接触力－变形曲线来说，层合板中没有玻璃纤维层存在时，接触力－变形曲线几乎闭合，说明冲击过程中20 J的冲击能量由材料几乎完全吸收。然而，当添加玻璃纤维以后，接触力－变形曲线呈现出半封闭状态，冲头没有完全穿透层合板，说明材料还可以通过进一步的变形来吸收较多的冲击动能，从而来提高材料的抗冲击能力。

混杂复合材料临界穿透能的提高可以归因于玻璃纤维的存在。众所周知，玻璃纤维的韧性要比碳纤维高很多，因此，混杂复合材料在承受冲击载荷时，材料变形增加，材料通过大变形与冲头的接触时间变长，从而接触力与变形围成曲线的面积增加，宏观上表现为混杂复合材料抗冲击性能的提升。

图4 冲头能量衰减为0时层合板形状(t=2.41 ms)Fig.4 Shape of the laminates when the impact energy decline to zero(t=2.41 ms)

2.2 玻璃纤维铺层位置对混杂复合材料冲击性能的影响

图5为5种不同形式的层合板在冲击能量降为0时的破坏形貌。整体来看，随着玻璃纤维层的铺设位置靠近上下表面，层合板的破坏面积逐渐减小，说明玻璃纤维的存在对提升材料抗冲击能力发挥了很大的作用。图6为层合板破坏后的横观形貌，可以看出，未添加玻璃纤维的层合板完全被穿透，而添加玻璃纤维层的复合材料完整性较好，冲击韧性提升。

图5 层合板冲击破坏面积Fig.5 Areas of composite laminates after impact damage

图6 不同形式的层合板破坏后的断口形貌Fig.6 Damage morphology of different composites laminates

由图6可以看出，冲击性能的大小顺序为形式5＞形式4＞形式3＞形式2＞形式1。碳纤维在承受冲击载荷时表现出的特点是断裂伸长低，在承受很高应力时伸长也很小。作为复合材料的增强材料，伸长小，意味着冲击性能差。当玻璃纤维与碳纤维混杂后，2种纤维之间的相互作用对混杂复合材料的变形产生很大的影响。随着玻璃纤维的加入，由于玻璃纤维增强复合材料的强度低但韧性好，从而导致冲击破坏引发能的减小，混杂层合板吸收的能量增加。所以，通过与玻璃纤维混杂，碳纤维增强复合材料冲击性能提高的实质是提高了材料的冲击扩展能。

图7 铺层形式为［C/G2/C3］S的混杂复合材料各层材料破坏情况Fig.7 Damage morphology of hybrid composite laminates with layer form［C/G2/C3］S

图7为第5种混杂层合板的各层层合板的冲击后的破坏形貌。可以看出，4层玻璃纤维受到冲击载荷后破坏严重，较多的单元被删除。比较而言，上层碳纤维的破坏较下层严重，最低层碳纤维只出现较小破坏，从而限制了冲头完全穿透层合板，提高了材料耐冲击强度。可以看到，通过靠近上下表层铺设玻璃纤维能够很大程度地提升材料整体韧性，这是因为材料在受到冲击时，玻璃纤维通过断裂而将大部分冲击动能吸收，这种断裂是通过受到冲击时上表面玻璃纤维的压缩断裂和下表面玻璃纤维的拉伸断裂产生的。然而，当玻璃纤维层位于远离混杂复合材料表层时，玻璃纤维受到的拉压载荷小，产生的应变小，纤维不能够通过断裂吸收冲击动能，从而增韧效果不明显。

3 结论

通过以上对混杂复合材料层合板低速冲击的有限元分析方法，可以得出以下结论:

2)不同混杂方式的复合材料在承受冲击载荷时，吸收的能量不同，玻璃纤维靠近层合板表面铺设时吸收的能量最多。

3)冲击后的混杂复合材料的破坏面积随着玻璃纤维铺层靠近混杂层合板上下表面而减小，当玻璃纤维位于混杂复合材料第2层时，玻璃纤维/碳纤维/环氧树脂复合材料的冲击韧性最好，材料整体破坏面积最小。

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