复合材料夹芯板反复冲击损伤累积特性实验研究

2023-10-25沈云龙李应刚黄鑫华王全华王纬波

船舶力学 2023年10期

沈云龙，李应刚，4，黄鑫华，王全华，朱凌，王纬波

（1.高性能舰船技术教育部重点实验室（武汉理工大学），武汉 430063；2.武汉理工大学船海与能源动力工程学院，武汉 430063；3.武汉理工大学产业集团，武汉 430063；4.武汉理工大学三亚科教创新园，海南三亚 572025；5.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

0 引言

近年来，随着高技术船舶朝着绿色化、轻量化方向发展，复合材料及其夹芯结构因其优异的力学性能吸引了造船界的关注。复合材料夹芯结构作为一种高强度、高模量、耐疲劳、耐腐蚀、可设计性强的先进结构材料，很好地满足了轻量化以及各种复杂载荷工况的要求，其在船舶与海洋工程领域的应用范围逐渐扩大[1-2]。

然而，船舶与海洋工程装备在航行与作业过程中极有可能遭受冲击载荷作用[3]，复合材料夹芯结构对冲击载荷十分敏感，承受低速冲击便可能出现损伤，导致剩余强度明显下降，降低了结构的安全性。因此，国内外学者针对冲击载荷下复合材料夹芯结构损伤特性与安全性评估开展了大量研究工作，取得了显著的研究成果。例如，挪威科技大学Hayman 和Echtermeyer[4]采用理论分析与实验测试相结合的方法研究了开孔、裂纹以及冲击损伤等局部损伤对舰用PVC 泡沫复合材料夹芯结构力学性能劣化的影响，为受损舰船复合材料夹芯结构剩余强度与安全性评估奠定了基础。Liu 等[5]采用数值模拟与实验方法研究了复合材料夹芯板冲击损伤特性，开展了受损复合材料夹芯结构的压缩力学特性与剩余强度评估。

值得注意的是，船舶与海洋工程装备不仅会遭受单次冲击载荷作用，而且经常会遭受反复动载荷作用，如浮冰碰撞、直升机降落、补给船停靠等碰撞载荷以及波浪砰击载荷等，导致结构累积损伤与破坏[6-9]。武汉理工大学朱凌等[10-13]采用试验、数值和理论方法对反复碰撞载荷下船体板、加筋板以及船用多孔金属夹芯结构的动态响应进行了系统研究，分析了每次碰撞过程中碰撞力时间历程、变形时间历程、最终累积塑性变形、回弹效应以及结构刚度变化。研究表明，随着刚性质量块碰撞次数的增加，船体结构的卸载刚度逐渐变大。然而，现有文献研究对象均由弹塑性金属材料构成，其反复冲击动态响应主要以结构塑性变形累积为主。复合材料夹芯结构由复合材料上下面板与轻质芯层构成，在冲击载荷作用下可能产生面板纤维断裂、基体开裂和层间分层以及芯材压溃、剪切破坏和与面板脱粘等损伤模式，复合材料夹芯结构反复冲击损伤累积特性与损伤模式演化规律尚不清楚。

本文采用INSTRON 9350落锤冲击试验机进行复合材料夹芯板反复冲击实验，研究反复冲击载荷作用下复合材料夹芯板动态响应，揭示其反复冲击损伤累积特性与演化机制，为其在舰船结构轻量化与安全可靠性领域的应用提供依据。

1 材料与试验

1.1 复合材料夹芯板

本文加工制备的复合材料夹芯板结构由复合材料上下面板、轻质芯材以及面板与芯材之间的环氧树脂粘结层组成，其中复合材料上下面板为日本东丽公司生产的碳纤维增强复合材料，芯层为瑞典Diab公司生产的Divinycell H 系列PVC泡沫轻质芯材，复合材料面板与PVC泡沫芯层采用环氧树脂粘接连接。碳纤维复合材料面板制造过程中采用T300 碳纤维作为增强纤维，碳纤维板专用树脂（碳板胶）作为基体材料。将碳纤维预浸布按照[0°/90°]4铺层后加压热固化成型，单层厚度为0.125 mm。固化工艺流程为：采用真空成型工艺来制备碳纤维复合材料板，连同模具放入烘箱，设置好相关参数，让碳纤维预浸料在120°C 温度下保持40 分钟，后在160°C 温度下保持1 小时，成型过程中压力保持为3 MPa。固化成型后使用切割机对制备好的碳纤维复合材料板进行切割，切割后试样的尺寸为150 mm×150 mm×1 mm。单层T300 碳纤维预浸布材料力学性能参数详见表1 所示。芯层选取Divinycell H80 PVC泡沫芯材，其密度为80 kg/m3，尺寸为150 mm×150 mm×15 mm。Divinycell H80 PVC泡沫材料力学性能参数详见表2。

表1 单层T300碳纤维预浸布力学性能Tab.1 Mechanical properties of T300 carbon fiber prepreg

表2 Divinycell H80 PVC泡沫材料力学性能Tab.2 Mechanical properties of Divinycell H80 PVC

1.2 复合材料夹芯板反复冲击实验

复合材料夹芯板反复冲击实验采用INSTRON CEAST 9350 落锤冲击试验机进行，如图1 所示。INSTRON CEAST 9350 冲击试验机为落地式实验系统，由冲击塔、试验箱、试验夹具、控制器等构件组成，具有气动控制的防回弹系统，可以有效避免复合材料夹芯板单次冲击实验过程中发生二次冲击现象。为了避免复合材料夹芯板试样初始损伤，复合材料面板材料不便于打孔，采用螺栓连接固定约束，实验过程中将复合材料夹芯板试样安装在带有150 mm×150 mm 矩形凹槽的刚性支撑结构中，同时采用4 根杆子压住试板上面板，以达到冲击试验过程中约束复合材料夹芯板试样的目的。实验过程中采用半径为20 mm 的半球形冲头，冲头通过螺纹与冲击杆相连，冲头内置力传感器。复合材料夹芯板反复冲击损伤特性试验工况如表3所示，实验过程中考虑了40 J、60 J和120 J三种不同冲击能量动态加载试验。在冲击试验前，先对所有夹芯板试样进行目视检查，确保无初始损伤。采用INSTRON CEAST 9350 落锤冲击试验机完成低速冲击试验后，使用相机记录下夹芯板试样上下面板的损伤形貌。通过冲头内置力传感器监测得到冲击过程中的瞬态冲击力，实验测试数据经过DAS 64K 系统进行采集，并在PC 机上的CEASTVIEW 软件中分析和处理，最终得到冲击力时程曲线、位移时程曲线、能量时程曲线等动态冲击响应数据。

图1 复合材料夹芯板反复冲击实验装置Fig.1 Impact testing machine of the composite sandwich panel

表3 复合材料夹芯板冲击试验工况Tab.3 Impact experimental tests of the composite sandwich panel

2 复合材料夹芯板冲击损伤特性

2.1 单次冲击损伤特性

本文首先采用INSTRON CEAST 9350落锤冲击试验机进行了40 J、60 J和120 J三种不同冲击能量下复合材料夹芯板单次冲击动态加载试验，图2 为复合材料夹芯板在不同冲击能量下上表面结构损伤图。从图中可以看到，当单次冲击能量为40 J时，复合材料夹芯板冲击损伤模式主要表现为上面板局部凹陷与基体开裂，且基体开裂方向与纤维铺层角度一致。当单次冲击能量为60 J 和120 J 时，复合材料夹芯板冲击损伤模式不仅表现为局部凹陷与基体开裂，还出现了明显的面板开裂与纤维束的断裂，同时伴有芯层与面板的界面层脱粘。随着单次冲击能量的增大，复合材料夹芯板面板局部损伤面积逐渐扩大，局部凹陷深度逐渐增加，PVC泡沫芯层压缩变形增加，损伤模式也发生了显著变化。

图2 复合材料夹芯板损伤对比图Fig.2 Damage diagram of the composite sandwich panel

为了进一步定量分析复合材料夹芯板单次冲击动态响应与损伤特性，我们测试得到三种不同能量冲击下复合材料夹芯板的冲击力-时程曲线和冲击力-位移曲线，如图3所示。从图中可以发现，当冲击能量为40 J时，复合材料夹芯板在冲击过程中接触力迅速到达6500 N峰值，在到达峰值以后迅速下降，低能量冲击下复合材料夹芯板动态响应与弹塑性金属材料结构类似，冲击力时程曲线表现为半波正弦脉冲形式，同时冲击力-位移曲线中位移达到最大值后由于结构弹性效应出现了回弹现象。当冲击能量为60 J时，复合材料夹芯板冲击力迅速到达7000 N峰值后迅速下降，下降过程中出现了一个较长的冲击力平台阶段。分析原因是由于60 J 冲击能量作用下，复合材料夹芯板面板发生基体开裂与纤维断裂损伤，导致冲击力峰值迅速下降而造成的。PVC 泡沫夹芯参与承受主要冲击载荷，由于PVC 泡沫材料应力应变曲线中存在应力平台，使冲击力时程曲线和位移曲线中出现了显著的应力平台现象。当冲击能量增大为120 J 时，复合材料夹芯板结构的冲击力出现了两次峰值，且两峰值之间还有一段应力平台。分析原因是由于较高能量冲击下复合材料夹芯板发生了局部凹陷、基体开裂和纤维断裂等损伤，引起第一个冲击力峰值降低现象。同时，上面板在冲击过程中发生失效，PVC 泡沫芯层参与抵抗冲击，出现较长的一段应力平台。随着泡沫芯层压缩变形逐渐增大，泡沫芯层与下面板联合参与承受主要冲击载荷，冲击力再次出现峰值，且峰值力高于第一次。

图3 复合材料夹芯板单次冲击动态响应Fig.3 Single impact dynamic responses of the composite sandwich panel

2.2 反复冲击损伤累积特性

采用INSTRON CEAST 9350 落锤冲击试验机进行了40 J 和60 J 冲击能量下复合材料夹芯板反复冲击动态加载试验，得到复合材料面板反复冲击损伤累积特性，如图4 所示，通过激光线切割技术得到复合材料夹芯板反复冲击损伤横剖面，如图5所示。从图4可以看到，当单次冲击能量为40 J时，复合材料夹芯板冲击损伤模式主要表现为上面板局部凹陷与基体开裂。第一次冲击后，面板便出现了明显的凹坑。第二次冲击后，凹坑面积变大，并且冲击中心区域出现了明显的基体开裂。随着冲击次数的增加，复合材料夹芯板面板局部凹陷面积与深度逐渐增大，基体开裂尺度逐渐扩大，裂痕由冲击区域向外延伸，复合材料夹芯板逐渐出现了复合材料面板分层损伤、界面层脱粘以及泡沫芯层剪切等损伤模式。当单次冲击能量为60 J 时，复合材料夹芯板在第一次冲击载荷作用下损伤模式主要表现为上面板局部凹陷与基体开裂。随着冲击次数的增加，复合材料夹芯板面板局部凹陷与基体开裂损伤不断累积，芯层压缩变形逐渐增加，同时出现了面板纤维断裂与分层损伤、面板与芯层出现脱粘以及泡沫芯层剪切与破裂等损伤模式。综上可知，反复冲击载荷作用下复合材料夹芯板不仅会导致动态变形与损伤程度不断累积，而且还可能产生损伤模式演化。

图4 复合材料面板反复冲击损伤模式Fig.4 Repeated impact damage modes of the composite panel

图5 复合材料夹芯板反复冲击损伤横剖面图Fig.5 Cross section of repeated impact damage of the composite sandwich panel

根据Belingardi 等[14]的研究结论，反复冲击中最大接触力的大小可以用两种相反的破坏机理来进行解释。一方面，首次冲击将冲击点处的基体压实，并可能发生应变硬化，使得冲击区域的局部刚度变大，为后续冲击提供了更“硬”的表面，这会使得最大接触力增大。另一方面，冲击造成的纤维和基体损伤会降低夹芯板的力学性能，导致最大接触力减小。为了进一步分析复合材料夹芯板反复冲击动态响应与损伤特性，我们采集得到40 J和60 J能量反复冲击下复合材料夹芯板的冲击力-时程曲线和冲击力-位移曲线，如图6 所示。由图6（a）和（b）可以发现，当单次冲击能量为40 J 时，随着反复冲击次数的增加，冲击力时程曲线与弹塑性金属材料结构类似，始终保持为半正弦脉冲形式，这是由于40 J 能量反复冲击作用下复合材料夹芯板面板主要起到抵抗冲击与能量吸收作用，泡沫芯层与下面板的贡献很小，反复冲击作用下复合材料上面板损伤模式体现为面板局部凹陷与基体开裂。另一方面，随着反复冲击次数的增加，复合材料上面板局部凹陷与基体开裂损伤逐渐累积，接触刚度逐渐下降，从而导致复合材料夹芯板反复冲击作用下接触冲击力峰值逐渐降低，冲击接触时间逐渐延长，冲击力位移曲线中加卸载刚度逐渐降低。这与文献中弹塑性金属材料结构反复冲击塑性变形累积特性与结构强化效应机制具有显著差异[10-13]。

由图6（c）和（d）可以发现，当单次冲击能量为60 J时，由于PVC泡沫芯层参与承受冲击载荷，冲击力时程曲线和位移曲线均出现了较明显的应力平台现象。第一次冲击载荷作用下复合材料夹芯板上面板发生基体开裂与纤维断裂，导致接触冲击力峰值出现迅速降低。随着反复冲击次数的增加，复合材料上面板累积损伤范围不断增大，面板损伤模式基本保持不变，PVC泡沫芯层与下面板逐渐起到承载抗冲击与能量吸收主导作用，PVC 泡沫材料孔洞逐渐被压实，泡沫芯层发生剪切与破裂损伤，压缩变形不断累积直至密实化，使得冲击区域的局部刚度变大，为后续冲击提供了更“硬”的表面，接触冲击力峰值逐渐升高，冲击接触时间基本保持不变，冲击力位移曲线中加卸载刚度逐渐降低。

图6 复合材料夹芯板反复冲击动态响应Fig.6 Dynamic responses of the composite sandwich panel under repeated impact

图7 复合材料夹芯板结构弯曲刚度曲线Fig.7 Bending stiffness of the composite sandwich panel

为了揭示复合材料夹芯板反复冲击动态响应与累积损伤演化机制，我们计算得到反复冲击载荷下复合材料夹芯板结构弯曲刚度-冲击次数变化曲线，如图7 所示，其中夹芯板结构的弯曲刚度即为冲击力-位移曲线的斜率。由图可以发现，随着反复冲击次数的增加，复合材料夹芯板结构弯曲刚度逐渐降低。与弹塑性金属材料结构反复冲击发生结构强化现象不同，复合材料夹芯板反复冲击加载时出现明显的结构弱化现象。分析原因是由于反复冲击载荷作用下复合材料上面板局部凹陷、基体开裂以及纤维断裂等损伤不断扩大，PVC 泡沫芯层不断发生芯层剪切与压缩变形，导致复合材料夹芯板结构的加卸载刚度逐渐降低。

为了进一步深入研究复合材料夹芯板冲击动态响应与损伤特性，保持总冲击能量为120 J，对比分析了（40 J+40 J+40 J）、（60 J+60 J）与（120 J）三种加载方式对复合材料夹芯板冲击损伤的影响，结果如图8 所示。由图可知，在总冲击能量保持一定的条件下，单次冲击加载产生的结构损伤与破坏最大。随着反复冲击次数的增加，复合材料夹芯板结构冲击损伤逐渐减小，损伤模式具有显著差异，分析原因主要是由于复合材料夹芯板结构整体弹性效应引起。