泡沫增强复合材料点阵夹芯梁抗冲击性能

王春国，文安松，范子豪，黄 威

（1. 中国船舶重工集团公司第七一九研究所，湖北 武汉 430064；2. 华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074）

先进复合材料凭借其高比强度和比刚度特性，在航空航天领域被广泛地应用于轻量化结构的设计和应用[1]。夹芯结构由厚度小、刚度大的前后面板以及厚度大、吸能性能优越的芯材组成，相较于由面板或芯材组成的具有相同面密度的单层板，夹芯结构的比剪切模量和比弯曲刚度得到了明显的提升。这种结构特点能够有效地降低爆炸载荷作用在结构及其内部的脉冲压力，进而起到保护结构和内部设备及人员的作用，尤其是涉及流固耦合的情况[2]。

基于较高的静态强度及抗屈曲特性，复合材料点阵夹芯结构因其芯材具有较大的空间，在结构的轻质多功能一体化设计方面展现出较大的潜力[3-5]。Mei 等[6-7]通过热压成型方法得到了复合材料点阵夹芯结构，并在不同环境温度和湿度下对其压缩和剪切力学性能开展研究，得到了结构强度及刚度的理论预测模型。Xu 等[8]分析了细长杆芯子的复合点阵夹芯结构在三点弯曲载荷下的屈曲失效。当前，人们对金属点阵夹芯结构及其他形式的复合材料结构开展了大量的抗爆炸冲击研究[9-11]，然而对于复合材料点阵夹芯结构，相关研究主要集中在准静态以及低速接触式载荷下的力学性能和失效行为。主要原因是在局部高强度冲击下，复合材料芯子无法与金属芯子通过塑性屈曲耗散能量；同时，芯子节点按一定的距离排布，制约了其抗局部冲击性能的提升。基于平压测试[12]，Zhang 等[13]利用金属芯子复合材料面板组成了夹芯结构，分析了泡沫增强对结构在落锤加载下能量吸收的改善。

本研究将对复合材料点阵夹芯结构梁开展泡沫弹冲击加载实验，并利用ABAQUS/Explicit 有限元分析软件，对泡沫增强复合材料点阵夹芯结构的动态响应、失效模式以及能量吸收特性进行数值模拟，将模拟结果与实验结果进行对比验证，以期为先进复合材料点阵夹芯结构的抗冲击性能优化提供有效的依据。

1 冲击加载实验

1.1 实验材料

如图1 所示，利用一级轻气炮加载装置对复合材料点阵夹芯结构梁进行泡沫弹冲击实验。圆柱形泡沫铝弹体的密度为460 kg/m3，长度为50 mm，直径为39.6 mm。泡沫弹体以50.1～209.4 m/s 的初始速度撞击试件，对应的初始动量I0为1.48～6.17 N·m。弹体的撞击姿态以及靶板动态失效过程由放置在观测窗处的Photron Fastcam Sa-Z 高速相机记录，实验中采样帧率为6×104帧每秒，分辨率为896×368 像素。

图1 冲击加载实验装置和复合材料点阵结构及其单胞尺寸Fig. 1 Sketch of the experimental setup and dimensions of the lattice cell

复合材料点阵夹芯结构梁试样的长度为240 mm，宽度为42 mm，由碳纤维/环氧树脂基预浸料通过热压法制备得到。前、后面板的厚度均为1 mm，铺层顺序为[0°/90°/0°/90°/0°]s。芯子尺寸如图1(c)所示，相对密度为2.31%。整个梁结构由5 个完整的单胞组成。梁结构的上下两端由前后夹板通过橡胶垫夹持于靶舱固定装置上。作为对比，对密度为80 kg/m3的聚氨酯泡沫填充的复合材料夹芯结构梁开展对比实验。两种不同梁结构的面密度分别为4.27、6.55 kg/m2。具体的实验测试细节参考文献[14]。

2 数值分析模型

2.1 材料本构模型

为了得到更准确的失效行为，基于应变形式的三维Hashin 失效准则和Yeh 分层失效准则编写了Vumat 子程序，采用刚度退化方法模拟复合材料在冲击加载下的失效行为。在子程序中定义了纤维的拉伸和压缩失效、基体的拉伸和压缩失效以及层间失效的失效因子[15-16]。

纤维拉伸失效因子Rft和压缩失效因子Rfc为

基体拉伸失效因子Rmt和压缩失效因子Rmc为

聚氨酯泡沫和金属泡沫铝的材料均采用ABAQUS 自带的Crushable Foam 模型，在材料定义时录入泡沫的单轴压缩实验测量的屈服应力和塑性应变，选用Deshpande 等[17]提出的各向同性硬化本构模型定义材料的硬化。采用ABAQUS 自带的Ductile Damage 损伤破坏准则来描述泡沫的失效。

碳纤维/环氧单向预浸料的材料属性如表1 所示，其中νij（i,j=1, 2, 3）为泊松比，ρ 为密度，Zt为面外拉伸强度，Zc为面外压缩强度。夹具为不锈钢。

表1 T700 碳纤维/环氧单向预浸料的材料属性Table 1 Material properties of T700 carbon/epoxy prepregs

2.2 数值模型

采用ABAQUS/Explicit 有限元对复合材料点阵夹芯结构的抗冲击行为进行数值模拟。为了有效地与实验结果进行对比，数值模拟采用的试样尺寸及边界条件均与文献[14]一致，如图2 所示。试样中芯材杆件和面板之间通过Tie 约束定义接触；碳纤维面板和点阵芯材均采用三维实体网格C3D8R 进行划分。泡沫增强点阵夹芯结构的有限元模型如图2(b) 所示，同样使用三维实体网格C3D8R 进行划分，在计算中使用了ALE 自适应网格划分方法来保证网格的质量。实验中采用紧固螺栓夹紧试件，在有限元模型中则采用施加预紧力的方法对结构进行夹紧，如图2(c)所示。

图2 泡沫弹冲击加载有限元模型Fig. 2 Numerical model of the aluminum foam impact test

3 结果分析与讨论

Huang 等[14]分别对复合材料点阵夹芯梁及其泡沫增强结构开展了5 种不同速度的局部冲击加载实验，实验的初始条件见表2，其中：mp为弹体质量，v0为弹体初始速度，I为无量纲冲击强度。v0在50.1～210.0 m/s 区间，对应的无量纲冲击强度I= 103I= 103I0/L( ρfσf)-0.5（I为弹体的动量，I0为弹体的初始动量，ρf和σf分别为面板的密度和屈服强度）被用来评估冲击强度。结构的失效模式涵盖了由低速冲击下的弹性变形到高速冲击下的完全失效。

表2 撞击初始条件及无量纲冲击强度Table 2 Initial conditions and non-dimensional impulse of the impacts

3.1 动态变形响应

图3 显示了在v0=140.8 m/s（I= 0.68）的泡沫弹体冲击下，实验和数值模拟得到的复合材料点阵夹芯结构动态变形失效过程。桁架较大的轴向刚度会使背板在冲击早期出现桁架穿刺，随着中心单胞的塌陷以及前后面板横向变形差异的增大，相邻上下单胞的柱子发生刚性绕动，导致0.6 ms 时明显的芯-面板剥离失效。结构整体横向变形导致的弯曲和拉伸使得点阵结构梁从靶架滑离，与弹体以共同速度运动。可见，从结构整体的失效模式以及变形响应上看，数值模拟与实验取得了非常一致的结果。

图3 复合材料点阵夹芯结构动态变形实验与模拟结果对比（v0 = 140.8 m/s）Fig. 3 Comparison of dynamic deformation of the experiment and simulation of the composite lattice sandwich beam (v0 = 140.8 m/s)

图4 给出了泡沫增强点阵夹芯结构在v0=139.2 m/s（I= 0.66）时动态变形及失效的实验和数值模拟对比结果。与点阵夹芯结构类似，撞击早期出现了背板桁架穿刺。固支端的横向剪切导致厚度方向上的裂纹萌生和扩展。随着变形的增加，纵向波速的不同导致面板和泡沫芯发生界面剥离，0.92 ms 时撞击边缘的横向裂纹导致泡沫芯子成块剥离。结构也会随着泡沫弹滑出夹具。由于泡沫的压缩和开裂吸收了部分冲击能量，结构中的点阵单胞保持得更加完整。弹体均有较小的塑性变形。与实验结果相比，虽然数值模拟中同样出现了位置相同的横向裂纹，但是开裂程度较弱。总的来说，数值模型能够很好地模拟泡沫增强复合材料点阵夹芯梁的动态变形失效过程。

背板的最大变形是衡量结构抗冲击特性的一个重要指标。提取实验和数值模拟中两种不同夹芯结构梁在不同初始冲击速度下的背板中点变形，如图5 所示。可见，中点变形-时间曲线始终保持较好的线性关系。冲击强度的变化增加了变形的增长速度。泡沫增强使得中点变形响应速度减小，在相同时刻的变形呈现明显的减小，该趋势随着冲击强度的增加尤为明显。数值模拟得到的结果与实验结果有非常好的一致性，再次验证了数值模型的有效性。出现差异的主要原因是数值模拟中在边界位置采用的预紧力随着冲击的进行始终保持不变。

图5 背板中点动态变形对比Fig. 5 Comparison of midspan dynamic deformation between the experiment and simulation

3.2 失效模式分析

结合对复合材料以及泡沫芯材材料本构和失效模型的定义，基于Hashin 的失效模型能够有效地揭示实验中无法直接观测到的纤维和基体的具体失效模式。图6 给出了低速冲击下复合材料点阵夹芯结构梁及其泡沫增强结构的失效模式，并与实验结果进行了对比。图6 中，SDV1 表示纤维拉伸失效，SDV2 表示纤维压缩失效，SDV3 表示基体压缩失效，SDV4 表示基体压缩失效，SDV5 表示层裂失效。作为典型的弹性材料，实验中很难实时获取结构的失效模式及程度，仅能通过动态变形过程和最终的失效结构来分析结构在冲击条件下的失效模式。本研究通过数值模拟清晰地给出了动态过程中的不同失效模式。对于复合材料点阵夹芯结构梁，低速冲击下其主要失效模式为面板的基体失效以及层裂失效，其中结构中心的基体压缩失效比拉伸失效更明显。轻微的纤维失效以压缩为主，主要出现在弹体撞击的边缘位置，主要原因在于该区域中弹体的冲击载荷与刚度丧失。作为芯材的复合材料斜柱，面板处的剥离失效是面-芯失效的主要模式，这种剥离失效是由多种失效模式共同作用导致的。柱子轴向无失效，以刚性转动为主。

图6 低速冲击下复合材料点阵夹芯梁的失效模式对比Fig. 6 Comparison of failure modes of the composite lattice sandwich beam under low-veloctiy impact

在同一时刻，由于填充泡沫对载荷的整体纵向传播，泡沫增强结构的失效模式与未增强结构有着明显不同。图6(b)给出了实验得到的去除泡沫后的点阵结构梁的冲击后图像[14]。与实验一致，在弹体撞击以及支撑位置，泡沫出现横向裂纹（主要由横向剪切引起），随后裂纹不断扩展。纤维压缩失效因泡沫与芯子横向强度的明显差异而更加集中于弹体撞击外缘，背板则因泡沫的挤压在中心单胞3 个节点处形成环形纤维压缩失效，不同于图6(a)，其他节点的纤维失效进一步减弱。类似的区别同样出现在基体的压缩和拉伸失效中，不同的是，基体的失效由于泡沫增强而明显地降低。泡沫增强引起的最大差异出现在层裂失效中，即层裂程度大大降低。前面板节点处的层裂失效在非中心位置处同样有明显的降低。不同于未增强复合夹芯梁，泡沫的填充有效地抑制了芯子压缩过程中立柱间过多过早的碰撞，结构的完整性有明显提升。

图7 给出了两种复合材料点阵梁结构在更高局部冲击强度下的失效模式对比，其中主要给出了基体压缩失效、基体压缩失效和层裂失效。未强化的夹芯梁结构中心单胞完全压实，3 根柱子完全从面板剥离，造成中心位置出现严重的基体失效和层裂。与低强度冲击不同，相邻单胞未出现桁架的完全剥离，结构失效呈现清晰的中心局部化。通过泡沫的增强，结构的失效模式出现明显的不同。芯材泡沫在中心位置被压实，限制了中心桁架的刚性转动与剥离，形成了单胞的整体穿刺。经泡沫强化后，各种失效程度都有较明显的降低。同样中心点阵单胞的不同失效模式导致弹体头部塑性变形不同，进而头部形状也有所不同。

图7 高速冲击下复合材料点阵夹芯梁的失效模式对比Fig. 7 Comparison of failure modes of the composite lattice sandwich beam under high-veloctiy impact

3.3 能量耗散

冲击载荷下复合材料夹芯结构吸收的能量主要通过以下3 种方式耗散：(1)结构变形，(2)复合材料面板和芯材的破坏，(3)泡沫芯的压缩和破裂。通过数值模拟能够准确地获得复合材料点阵结构梁及其泡沫增强结构梁不同组分在冲击过程中以及最终的能量吸收性能，进而揭示泡沫的增强效应。通过结构吸收的能量ET和各部分吸收的能量Ei之间的比值来计算能量吸收占比αi。能量吸收占比αi可以表示为

式中：ET=EFF+ETC+ERF+EFC，EFF、ERF、ETC和EFC分别为前面板、后面板、点阵桁架和泡沫吸收的能量。

图8 显示了两种夹芯结构梁在不同的冲击强度下各组分的能量吸收分布情况，其中FF 为前面板，TC 为芯材桁架，RF 为背板，FC 为芯材泡沫。实验和数值模拟结果表明，随着冲击强度的增大，点阵桁导致的面-芯失效愈加严重，对于复合材料点阵夹芯结构梁而言，其吸能占比由最小冲击强度时的9%上升到最大冲击强度时的41%，失效模式由低强度时的面-芯节点纤维和基体的局部失效到高强度时的剥离和穿刺。前面板作为与弹体直接接触的结构，其失效以接触位置的纤维基体失效为主，在低强度冲击下占比较大，随着冲击强度的增加，保持在32%基本不变。背板变形吸能随着芯子吸能的增加而持续降低。复合材料点阵夹芯结构在经由泡沫增强后，芯材泡沫的压缩和断裂吸能成为结构的主要吸能方式，并在较低冲击载荷下有更大的占比，约44%。在最高冲击强度下，仍有41%的泡沫耗能。随着面-芯剥离和穿刺的出现，芯材桁架的吸能增加导致泡沫吸能占比轻微下降。泡沫增强结构的前后面板的吸能随着冲击强度的增加几乎无明显变化，突出了泡沫对结构冲击吸能的主导作用。背板的能量吸收占比始终低于未增强结构，尤其在低冲击强度作用下，表明泡沫填充可有效地提升复合材料点阵梁结构在局部冲击载荷作用下的防护效能。

图8 复合材料夹芯结构梁在不同冲击强度下各组分的吸能比Fig. 8 Energy absorption of different components of the composite lattice sandwich beam under different impact conditions

4 结 论

针对复合材料点阵夹芯梁结构及其泡沫增强夹芯结构，开展了基于泡沫弹的局部冲击加载实验和数值模拟，分析了冲击强度和泡沫增强效应对复合材料点阵夹芯梁结构抗冲击性能的影响。通过与实验结果对比，验证了基于Hashin 和Yeh 分层失效准则的材料渐进损伤三维数值分析模型在模拟复合材料点阵夹芯结构抗局部冲击的有效性和合理性，得到了以下主要结论。

(1) 结构横向变形响应速度随着冲击强度的增加而明显增加，变形-时间曲线始终保持良好的线性，泡沫增强使得相同冲击条件下的变形响应减缓，该趋势随冲击强度的增加而愈加明显；

(2) 填充泡沫对复合材料点阵夹芯梁结构的失效模式均有影响，并且有效地降低了不同模式失效的程度，更好地保证了结构的完整性；

(3) 对于复合材料点阵夹芯梁结构，芯材复合材料桁架的能量吸收占比随着冲击强度的增加而大幅提升，泡沫增强复合材料点阵梁因泡沫的压缩和断裂耗能，有效地降低了其他组分的能量吸收比，表明泡沫填充可有效提升复合材料点阵梁结构在局部冲击载荷作用下的防护效能。