结构非对称性对纤维金属层板低速冲击特性影响

孟祥剑 陈旭 肖鹏 陈东方

摘 要 本文针对两种不同构型的非对称纤维金属层板（非对称FMLs—双层板和三层板），开展不同能量（10J、20J和50J）下的冲击试验，分析结构构型和冲击能量水平对非对称FMLs的冲击响应、损伤类型和程度的影响，重点研究冲击非对称FMLs上下两侧产生的抗冲击性能的差异。研究显示，同一种FMLs两侧受到冲击作用，FMLs的抗冲击性能明显不同；但随着冲击能量水平的提高，非对称FMLs上下侧面均受到冲击作用所产生的冲击载荷和损伤程度基本一致。

关键词 非对称纤维金属层板；低速冲击响应；冲击性能；损伤分析

ABSTRACT In order to investigate impact performances for two different configurations of asymmetric fiber-metal laminates （asymmetric FMLs—bilayered FMLs and trilayered FMLs）， impact tests with different energies （10J， 20J and 50J） are carried out. The effects of structural configuration and impact energy level on the impact responses， damage types and degree of asymmetric FMLs are analyzed. The difference of impact resistance between the upper and lower sides of the asymmetric FMLs is mainly studied. The results show that the impact resistance of the same FMLs is obviously different when both sides of the FMLs are impacted separately. However， with the increase of impact energy level， the impact load and damage degree for the upper and lower sides of the asymmetric FMLs are almost the same.

KEYWORDS asymmetric fiber-metal laminates; low speed impact response; impact performance; damage analysis

1 引言

纖维金属层板（FMLs）具备优异的抗疲劳和耐久性能，广泛应用于航空航天[1，2]、汽车[3]、国防[4]等重要领域。但FMLs在低速冲击下易产生各种损伤。这些损伤会大大削弱FMLs的承载性能，也限制了该类结构的推广应用。FMLs抗冲击性能受到纤维类型和铺层方向、金属层材料类型和铺放位置、冲击器直径、铺层方式、尺度效应和厚度效应等多种因素的影响。众多专家学者借助大量试验和数值方法进行了详细研究。Bienias等[5]讨论了纤维类型对FMLs抗冲击性能影响，以及载荷-时间历史、损伤面积和凹痕深度与不同冲击能级之间的关系。得出结论，玻璃纤维的FMLs主要通过塑性变形和分层损伤吸收能量，而碳纤维的FMLs主要通过被穿透及穿孔的过程吸收冲击能。Sadighi等[6]分析了金属类型和厚度对FMLs冲击响应的影响。研究发现，用镁铝取代铝并不能在穿孔能量和凹痕深度方面产生改善，而增加铝厚度可以改善FMLs的冲击性能。Khan等[7]发现金属层分布对分层损伤模式有较大影响。Fan等[8]改变FMLs厚度、直径以及冲击器半径，对发生穿孔所需的能量具有较大的改善。Carrillo等[9]发现不同尺度的FMLs在低速冲击作用下显示出的变形破坏机制具有相似性。同时，最大冲击力和到达最大载荷的时间对结构尺寸的敏感性较小。Zhu等[10]对单向和编织复合材料层合板研究显示，编织纤维FMLs的变形呈对称分布，而单向纤维FMLs的变形并无对称特征。此外，对于Ti/GFRP层合板，非冲击侧（未受到冲击的底面）钛面板是否发生断裂成为衡量此类层合板抗冲击载荷的主要影响因素[11]。上述研究中FMLs截面沿厚度方向上均具有对称特征，而关于非对称结构FMLs冲击行为描述的文献相对较少。事实上，一些学者已经开发出钢/橡胶/复合材料结构和双层板等几种非对称混合结构，并对这些非对称混合结构的动力/冲击变形和破坏机制进行了试验研究。Sarlin等[12]研究了冲击能、橡胶厚度和金属类型对钢/橡胶/复合材料混合结构冲击性能的影响。Yu等[13]讨论了金属层对复合材料层合板的防护机制。

本文通过试验方法研究了沿厚度方向呈现非对称特征FMLs的抗低速冲击特性，对两种非对称FMLs进行了一系列冲击试验，对比了不同结构构型FMLs的抗冲击性能；对FMLs的正反两面进行了相同的冲击试验，确定正反不同面对低速冲击的抵抗力和抗损伤能力。

2试件制备

非对称FMLs的金属层选用厚度为0.30mm（AL1）和0.50mm（AL2）的铝合金2024-T3。碳纤维复合材料层合板由单向碳/环氧预浸料按[0°/90°]3和[0°/90°]4不同的堆叠顺序制备而成。非对称FMLs的结构为相同厚度的双层和三层结构，如表1所示。将复合材料层合板与铝合金层粘结，形成非对称的FMLs，如图1所示。

FMLs采用手工铺层法制备，在固化过程中采用模压法成型；采用铬酸（CAA）对铝合金层表面氧化膜进行处理，以提高铝合金层与复合材料层合板间的结合性能。在铝合金层表面涂上含缓蚀剂的胶膜。然后，在FMLs的表面施加0.5MPa的恒压；固化周期由室温升温至130℃，升温速率为2℃/min。而后，保持这个温度2h，随至自然冷却到室温。最后，用水射流切割机将这些FMLs切割成100mm×100mm的方形板。

3 试验方法

本文采用落锤冲击试验设备进行低速冲击试验，如图2所示。为了避免试件受到反复冲击，冲击器在冲击后有一对气动回弹捕捉器，以保证层合板试件仅受到一次冲击作用。为防止试件的振动和滑动，方形试件用两个内径75mm的夹具固定。同时，夹具的压力为0.5MPa。

本文采用直径12mm、重量为13.2Kg的半球形钢制冲击器。通过调整冲击器高度（77.3mm、154.6mm、385.8mm），本文实现10J、20J、50J三种典型冲击能量工况。结合式冲击器和十字头的力传感器可以测出冲击力与时间、冲击器位移与时间的关系。在冲击过程中，记录冲击力、速度、位移和能量等试验数据，以评估非对称FMLs的冲击响应。沿厚度方向的非对称性为非对称FMLs的最显著特征，对抗冲击性能的影响也进行了详细探讨。每种冲击工况均进行3次冲击试验，并选取较为合理的一组数据。

4 试验结果与讨论

为了全面研究非对称FMLs的低速冲击特性，本文对非对称双层板和三层板在10J、20J和50J三种冲击能量下进行了多次冲击试验。为便于描述冲击工况类型，本文利用缩写字母代表某些特定冲击工况，如图3所示。B-AL表示双层板的铝板受到冲击器的冲击工况；B-CL表示双层板的复合材料层合板受到冲击作用。同样，T-HAL表示三层板中厚度为0.80mm的铝板受到冲击作用；T-BAL表示三层板厚度为0.30mm铝板遭受冲击的工况。一系列低速冲击试验展示了非对称FMLs的抗冲击能力及冲击所引起的损伤问题。以研究冲击能量、结构和冲击侧面对冲击响应和破坏机制的影响。

4.1 10J冲击能量试验结果

非对称双层板与三层板在10J冲击能作用下的冲击响应试验结果，如图4所示。针对B-CL情况，图4（a）冲击载荷-时间曲线出现先低后高的双峰现象。即冲击载荷达到峰值之前有一个明显的载荷下降阶段。这预示着双层板发生严重损伤。如图5所示，铝合金层与层合板界面发生大面积分层损伤，同时，复合材料层合板因冲击作用引发明显基体开裂。两者损伤类型导致双层板承载能力显著下降，如图4（a）所示。随着冲击器持续向下运动，铝合金层逐渐起主要承载作用，进一步导致冲击载荷再次上升。因此，针对10J冲击能量下的B-CL工况，铝合金层成为决定抗击载荷峰值大小的主要因素。

冲击区域附近的损伤形态如图5和图6所示。双层板与三层板损伤表现为铝合金层的塑性变形、铝-复合材料界面的分层损伤和复合材料损伤。双层板的整体损伤程度比三层板更严重。相对于三层板，双层板的铝合金层有更大的压痕（B-AL）和凸起（B-CL），如图5所示。铝-复合材料层间的界面分层面积更大，如图6所示。基体开裂和层间分层损伤更为明显。在B-CL工况下，冲击区域处的铝合金层与复合材料层之间出现较大的开口。此外，由于没有铝板保护，复合材料的裂缝十分明显。在B-AL工况下，开口形状变得明显不同。在铝合金层最大变形位置处，铝合金层与复合材料层合板之间依然接触。这主要是由于铝合金层的塑性变形限制了复合材料层合板的恢复变形。对于三层板，复合材料几乎没有损伤。在T-HAL工况下，大范围的分层损伤以大开口的形式存在，而T-BAL工况下这种现象不明显，但压痕面积和深度明显增大。根据对图5和图6中试件不同视角的损伤分析所得，在10J冲击能量作用下，非对称FMLs主要发生铝-复合材料界面分层损伤，塑性变形也较为显著，而复合材料损伤较为轻微。

4.2 20J冲击能量试验结果

当冲击能量增加到20J时，非对称FML吸收更多能量，如图7（b）所示。图7（a）显示，双层板冲击响应曲线均出现先低后高的双峰现象。即冲击载荷在加载-时间曲线上突然下降，然后继续增加至更高荷载水平。结合图8所示，B-CL和B-AL中均出现纤维断裂和严重的塑性变形。可以看出，纤维发生断裂后，铝合金层起主要承载作用。根据图7（a）所示，B-AL、B-CL、T-HAL和T-BAL工况下的峰值载荷分别为4.53kN、4.52kN、5.08kN和5.18kN。结果表明，在20J冲击能量下，对非对称FMLs一侧的冲击作用所产生的冲击载荷幅值基本一致，冲击侧的选取对冲击峰值载荷影响较小，而三层板抗冲击性能仍然优于双层板。

从图8和图9可以看出，与10J冲击能量下试件相比，20J冲击能量使双层板和三层板产生严重的铝合金塑性变形和破坏性的复合材料损伤。尤其是双层板中复合材料纤维沿厚度方向完全断裂。这表明复合材料几乎完全丧失了承载能力，导致双峰现象产生。此外，在T-HAL工况下，底部薄铝合金层由于弯曲变形较大，应变超过断裂应变，在中心区域出现可见裂纹。

4.3 50J冲击能量试验结果

随着冲击能量进一步增加到50J，冲击器完全穿透所有试样，如图10所示。冲击载荷-时间曲线和冲击载荷-位移曲线可分为上升阶段、峰值阶段和下降阶段的特征。结合10J和20J冲击能量的分析结果，当承载力快速增加时，双层板和三层板试样首先发生大规模铝-复合材料分层损伤和铝合金塑性变形，并伴有复合材料损伤。当铝合金层出现裂纹时，非对称FMLs的抗冲击载荷突然下降，承载能力突然消失。随后，冲击载荷迅速减小到一个较小的稳定值。根據图12所示，发生严重损伤的试件与持续运动的冲击器之间具有较大摩擦力，引起试件在贯穿后仍然可测得一定的冲击载荷。

三层板的冲击载荷-时间曲线在上升阶段几乎呈线性，而双层板在上升阶段为斜率由大变小的双线性组成。这一特征证实了双层板抗弯能力弱于三层板。图10（b）中各试样吸收能力均小于50J。然而三层板达到完全破坏所吸收能量高于双层板，但跟冲击哪一侧面相关性较小。此外，双层板在B-CL和B-AL工况中的峰值载荷约为5.03kN，而三层板在T-HAL和T-BAL中的峰值载荷约为5.50kN。结合三种能量冲击下的峰值载荷，如图13所示，三层板的冲击载荷峰值基本大于双层板。

图11和图12中详细的展示出冲击器在穿透试件后的复杂损伤形貌。断裂的纤维从基体中拔出；铝合金层在贯穿孔边缘处受到挤压并减薄；在非冲击侧，铝合金层发生过度弯曲变形和裂纹扩张，进而出现花瓣状开裂形式。结合图7、图8、图10和图11中试验结果，随着冲击能量的提高，非對称FMLs的损伤情况由铝-复合材料层间分层和铝合金层塑性变形，逐渐转向纤维断裂和铝合金层塑性变形大面积扩展。达到FMLs抗冲击能力极限后，多种失效类型全部出现，且穿孔成为最明显的形貌特征，而在B-CL工况中除外。复合材料在损伤后可恢复部分变形，同时，由于分层缘故，铝合金层没有限制这种恢复变形。

5 结语

本文通过试样试验测试，研究了非对称FMLs的抗低速冲击能力。针对两种不同构型的非对称FMLs（双层板和三层板），探讨在10J、20J和50J冲击能量作用下非对称FMLs结构的落锤冲击响应和损伤类型。为便于分析，针对非对称FMLs上下两侧的冲击工况分别定义，结合B-AL、B-CL、T-HAL和T-BAL工况结果，研究结构的非对称性对FMLs的冲击特性和损伤演化方面的影响。根据上述试验结果，可得出以下结论：

（1）在较低冲击能量（10J）作用下，非对称FMLs的抗冲击性能优劣与冲击侧的选取密切相关；在20J和50J冲击能量下，选择哪一侧承受冲击作用对双层板和三层板的冲击峰值载荷影响较小，但对损伤形貌具有一定的影响。

（2）结合冲击响应曲线，相对于双层板结果，三层板弯曲刚度大、载荷峰值高、吸收能量少；因此，三层板结构的抗冲击性能优于双层板结构。

（3）在10J冲击下，非对称FMLs的损伤以铝-复合材料层间分层和铝合金层塑性变形为主；20J冲击下，非对称FMLs主要通过纤维断裂和铝合金层塑性变形大面积扩展进行吸收能量；50J冲击下，FMLs出现破坏性损伤，发生明显的穿孔特征。

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