复合材料波纹夹层结构低速冲击后的剩余弯曲承载能力

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(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2.华中科技大学 船舶与海洋工程学院，武汉 430074)

复合材料夹层结构比强度高、比刚度大，其面板和芯材选材广泛，可以根据功能需要自由组合，应用广泛[1]。复合材料夹层结构在遭受低速冲击载荷作用时，内部易于产生损伤，从而造成结构力学性能的退化，剩余承载能力降低，因此一直受到国内外研究人员的关注[2- 5]。对于复合材料夹层结构在低速冲击后的压缩和拉伸性能研究有较多文献涉及[6- 7]，而针对冲击后剩余弯曲承载能力的研究少有涉及。但对于船舶与海洋工程结构来说，其剩余弯曲强度则是最为关心的主要因素。为此，通过制备碳纤维复合材料面板和铝质波纹芯材组成的夹层结构，开展低速冲击实验，探讨冲击能量以及冲击部位对其剩余弯曲承载能力的影响。

1 试样制备

试样由碳纤维上下面板和铝合金波纹芯材组成，见图1。

图1 梯形波纹的形状和制备的波纹夹层结构试件

铝合金波纹板2A12- T4尺寸为300 mm×96 mm×0.5 mm，力学性能参数见表1。复合材料层合板的原料为单向碳纤维预浸料(T700/3234)，力学性能见表2。复合材料面板的铺层顺序为[0°/90°/0°/90°]s，尺寸为300 mm×96 mm×1 mm。

表1 2A12- T4铝合金板材的基本力学性能

表2 T700/3234碳纤维预浸料的基本力学性能

2 实验方法

2.1 冲击实验

落锤冲击实验机见图2a)，主要由夹持机构、冲头和防止二次冲击的缓冲装置等组成。夹持机构主要由上下两块带开口的平行铁块组成，冲击过程中试件被固定在气动夹具里，夹持压力为0.02 MPa(夹持力远小于波纹夹芯结构的压缩强度)。力传感器通过螺杆连接在横梁上，另一端连接金属冲头，量程为10 kN。

图2 落锤冲击实验及三点弯曲实验装置

2.2 三点弯曲实验

压载头与两端支撑结构的顶部均为半球形，直径为20 mm，两端支撑结构间距为200 mm。弯曲实验的加载速度为1 mm/min，压载头的作用位置为遭受正面冲击的面板。

为比较完善试件与损伤试件在弯曲承载能力上的差异，同时开展完善夹层试件的弯曲承载能力实验。为了分析不同冲击位置对弯曲承载能力的影响，分别针对冲击位置在短边和长边的试件进行弯曲承载能力实验。

2.3 冲头形状及冲击位置

实验采用半球形冲头，冲头直径为12.0 mm，见图3。落锤质量为13.2 kg。分别选取波纹的短边和长边作为冲击部位，考虑不同冲击能量以及同一冲击能量不同冲击部位的损伤特性，冲击能量通过调节落锤的高度来实现。

图3 冲击位置示意

3 实验结果

3.1 冲击实验结果

上面板遭受冲击后的损伤照片及整体冲击损伤的变形见图4、5。

图4 不同冲击能量下碳纤维上面板损伤照片

图5 不同冲击能量时铝合金波纹夹芯结构的损伤

不同冲击能量下、冲击位置在试件短边时的冲击力- 时间历程曲线见图6a)；冲击能量为70 J，冲击位置分别在短边和长边时的冲击力- 时间历程曲线的比较结果见图6b)。

从图6a)可以看出，冲击力- 时间历程曲线具有强烈的非线性特征。

1)当冲击能量小于等于20 J时，冲头接触面板，此时面板与芯层共同承受冲击载荷的作用，直至芯层腹板出现屈曲(见图5a)、b)、c)所示)，冲击力达到第一个峰值。芯层发生屈曲后，其承载能力下降，冲击力略微减小，然后继续上升，直至达到峰值后开始下降。

2)当冲击能量大于等于40 J时，由于动力效应的影响，芯层腹板的屈曲载荷有所提升，但由于冲击能量过大，上面板和芯层很快被穿透(见图5d)、e))，载荷峰值达到最大，随之迅速下降。由于在穿透上面板和芯层的过程中，冲头的动能已经消耗过多，冲头的剩余速度已经很小，在下行过程中遭受周围碳纤维和芯材的阻挡，使得力曲线呈现缓慢下降趋势。

3)当冲击能量为70 J时，上下面板和铝合金芯层均被穿透(见图5e))，力曲线出现第二个明显的峰值，此峰值载荷也对应着碳纤维面板的承载能力极限值。冲头穿透下面板之后，由于冲头受到周围纤维和芯材的阻挡，其承载能力并不是迅速下降，而呈现缓慢下降的趋势。

4)图6b)，与冲击短边所测得的力曲线不同的是：冲击长边时，力曲线出现3个峰值，其中第一个峰值为碳纤维面板断裂的极限载荷，与冲击短边的第二个峰值(面板断裂)基本一致；第二个峰值相对于短边的第一个峰值要大10%，这是因为冲击长边时，芯层腹板不会产生屈曲现象(该现象会降低峰值载荷的水平)，而是产生拉伸变形，从而提高了力的峰值，直至芯材断裂，力曲线下降；接着冲头触及到芯材面板和碳纤维面板，载荷继续上升，直至芯材和碳纤维面板被穿透时载荷下降。

3.2 三点弯曲实验结果

载荷作用位置分别位于短边和长边时的未遭受冲击的完善结构三点弯曲实验过程见图7，采用位移方式加载(见图7a)、b))。可以看出随着压载头位移的增大，碳纤维面板开始断裂失效(见图8a)、b))，而铝合金芯层则出现不同的失效模式，当短边受载时，铝合金芯层腹板向内屈曲；而长边受载时，芯层腹板向外屈曲。而下面板基本上没有出现明显的损伤现象。冲击能量为70 J的剩余弯曲承载能力实验结果见图8c)、d)。

图7 未损伤试件三点弯曲试验

图8 三点弯曲实验结果

图9 不同冲击能量下波纹夹层结构的剩余弯曲承载能力曲线

不同冲击能量下波纹夹层结构的剩余弯曲承载能力曲线见图9。由图9a)可见，当冲击能量为5 J时，弯曲承载能力降低约21%；当冲击能量为10 J时，弯曲承载能力降低约34%；随着冲击能量继续增加，其弯曲承载能力基本保持不变。

而载荷作用位置对弯曲承载能力的影响则主要是由于芯层失效模式的差异所致；对于未遭受冲击的试件，承载能力主要依赖于上下面板，因此弯曲载荷作用位置对其影响极小，其弯曲承载能力基本相同(见图9b))；一旦试件遭受冲击载荷而损伤，当冲击短边时，由于芯层腹板发生屈曲，造成了芯层腹板弯曲刚度降低，弯曲承载能力下降；而冲击长边时，芯层腹板并未发生屈曲失效，而是拉伸破坏，其弯曲刚度降低较小，使得其弯曲承载能力较冲击短边时约大28%，而较未损伤结构的承载能地仅减少约13%。

4 结论

1)复合材料波纹夹层结构在未遭受冲击载荷作用时，其弯曲承载能力大小主要由上下面板提供，一旦遭受冲击损伤，面板的承载能力迅速下降，试件的剩余承载能力主要依赖于芯层；

2)即使很小的冲击能量下都会对复合材料面板造成内部损伤，导致面板承载能力的下降，影响整个结构的剩余弯曲承载能力。但是，在复合材料面板承载能力下降后，铝合金芯层起到主要承载作用，而铝合金芯层的承载能力与其弯曲刚度有关，冲击能量的加大并不会对铝合金芯层的弯曲刚度有较大的影响(铝合金芯层仅仅只是局部损伤)，因此随着冲击能量的增加，整体结构的剩余弯曲承载能力变化极小。但是对于不同冲击位置，铝合金芯层的损伤程度不同，因此造成了不同冲击位置，整体结构的弯曲剩余承载能力变化较大。

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