林智育, 許希武, 朱偉垚

(南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院結(jié)構(gòu)強度研究所飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)與控制教育部重點實驗室,南京 210016)

由于低速沖擊損傷大大削弱一般復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的承壓能力,低速沖擊后層合板的損傷特性以及其壓縮性能是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計必須考慮的嚴(yán)重情況之一,甚至可以用來對纖維增強樹脂復(fù)合材料韌性進(jìn)行表征。由于低速沖擊損傷壓縮性能與鋪層材料、鋪層順序、厚度、試件的邊界條件、支持條件以及沖擊物的特性等多種因素有關(guān),因此復(fù)合材料沖擊損傷及其沖擊后壓縮強度(CAI)的試驗研究一直是許多研究者關(guān)注的中心。

目前,復(fù)合材料層板CAI的試驗方法很多,迄今為止,仍未形成統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)(如ASTM,ISO等)。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)有NASA[1],SACMA[2]/Boeing[3],CRAG[4],QMW[5],UTK[6]等。損傷主要以落錘低速沖擊造成,在剩余強度試驗時,避免結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)。

本工作參照NASA標(biāo)準(zhǔn)和航空標(biāo)準(zhǔn)(HB 6739—1993[7]),選取兩個結(jié)構(gòu)部件上兩種典型鋪層(A、C)、兩種材料體系(T300/QY8911、T300/ 5405)、三種支持形式(沖擊點四周懸空、有肋凸緣、梁凸緣或長桁凸緣支持)、六種損傷能級共計 20組80件試驗件進(jìn)行沖擊損傷特性及其壓縮剩余強度試驗研究,討論了沖擊能量、支持條件等與沖擊損傷特性和沖擊后剩余壓縮強度的關(guān)系。

1 層合板沖擊損傷試驗研究

1.1 沖擊試驗裝置

復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中,不可避免地會受到損傷,尤其是低能量物體的沖擊：包括各種工具的掉落,起飛、著陸過程中從跑道卷起的石子、輪胎碎片的撞擊,空中飛行時冰雹的撞擊等引起的損傷。由于自由落體式?jīng)_擊可以較好地再現(xiàn)上述低能量沖擊,且試驗設(shè)備及操作相對簡單,本試驗采用自由落體式?jīng)_擊裝置對復(fù)合材料層合板進(jìn)行沖擊損傷預(yù)制。

沖擊試驗裝置和試驗件支持裝置如圖 1所示。參照 HB 6739—1993[7]碳纖維復(fù)合材料層合板沖擊后壓縮試驗方法,落錘的質(zhì)量為5kg,具有一個直徑為12.5mm的鋼質(zhì)半球形沖頭,沖頭軸線與板平面垂直,通過調(diào)整落錘的下落高度來控制沖擊能量和速率。試件夾持在兩鋼板之間,沖擊部分為一130mm×80mm的長方形區(qū)域,所有的試件均保證不發(fā)生二次沖擊。

1.2 沖擊損傷試驗件

試驗選用的兩種材料體系為A：T300/QY8911和C：T300/5405,試件用材料的纖維體積含量約為60%。試件尺寸為 200mm×140mm,兩端加強片長度為 30mm,鋪層順序分別為：[45/-45/0/-45/45/ 0/-45/45/90/45/-45/45/01/2]S共 25層和[45/-45/ 0/-45/45/0/90/-45/0/45/90/0]S共 24層。試驗件形狀如圖 2所示。

圖1 沖擊試驗裝置Fig.1 Impact test fixture

圖2 沖擊損傷試驗件Fig.2 Impact damage sample

試驗件組號、材料體系、件數(shù)及編號等見表 1。

表1 沖擊損傷試驗件Table 1 Impact damage sample

1.3 試驗件支持情況

表1中的沖擊損傷能級中的上角標(biāo)①②③所代表的三種彈性支持情況定義如下：

①沖擊點及四周懸空;

②沖擊點背面有梁凸緣(材料體系A(chǔ))或長桁凸緣(材料體系C)支持,見圖3;

③沖擊點背面有肋凸緣(材料體系A(chǔ)和C)支持,見圖 4。

材料情況說明：

梁：LC9,E=70.6GPa,σb≥510MPa;

肋：LY12,E=66.7GPa,σb≥410MPa;

長桁：T300/5405[45/0/-45/0/90/0/-45/0/45] s,E11=79.5GPa,E22=36.8GPa,υ=0.432,可用等剛度金屬代替。

連接情況說明：

梁凸緣、肋凸緣與壁板：單排螺栓連接;

長桁凸緣與壁板：膠接。

2 沖擊損傷試驗及檢測

試驗件在進(jìn)行沖擊損傷之前,進(jìn)行目視檢測和抽樣超聲C掃描無損檢測,確保試驗件沒有初始內(nèi)在損傷。

根據(jù)不同的試驗?zāi)芰?確定試驗過程中落錘的高度,對試驗件進(jìn)行沖擊損傷試驗,在試驗過程中確保所有試件不發(fā)生二次沖擊。

2.1 目視檢測

沖擊試驗結(jié)束后,通過目視檢測各典型試驗件正、反表面的凹坑、基體開裂、分層和纖維斷裂等外觀損傷。圖 5和圖 6列出了沖擊點四周懸空支持條件下各組試驗件中具有代表性的一個典型試件照片。

圖5 A系列試件沖擊后上表面(左圖)、下表面(右圖)外觀損傷Fig.5 Upper surface(left)and lower surface(right) damage of A series samp les aften impact (a)XYZ-D1A-3;(b)XYZ-D 2A-2;(c)XYZ-D3A-1; (d)XYZ-D6A-1

從圖 5和圖 6中可以看出,沖擊點周圍懸空支持條件下,該試驗系列所有能量等級作用下,在層合板的前表面出現(xiàn)了表面凹坑,在后表面出現(xiàn)了基體開裂、分層和少量的纖維斷裂等損傷。前表面凹坑形狀為近似圓形,且隨著沖擊能量的增大,表面凹坑深度逐漸增大。后表面基體開裂沿表面纖維方向(45°方向),且隨著沖擊能力的增大,基體裂紋的長度也隨之增加。

2.2 C掃描無損檢測

為了解不同沖擊能量造成的層合板內(nèi)部損傷嚴(yán)重程度及損傷面積的大小,使用PAC公司超聲C掃描無損檢測設(shè)備對沖擊后的試件進(jìn)行損傷檢測。

沖擊點四周懸空支持條件下,材料體系 A系列和C系列各組試件中典型沖擊后的C掃描損傷圖片如圖 7和圖 8所示。

從圖中可以看出,在該系列能量等級作用下,隨著沖擊能量的增加,層板的損傷面積隨著增加,且內(nèi)部的損傷程度加重。

沖擊點背面有肋凸緣支持情況下,材料體系A(chǔ)系列和 C系列各組試驗件中典型沖擊后的C掃描圖片如圖 9和圖 10所示。

從圖中可以看出,隨著能量等級的增加,層板中內(nèi)部損傷面積增大,且損傷程度加重。與沖擊點四周懸空情況下相比較,在相同的能量等級作用下,無論是沖擊損傷面積,還是內(nèi)部損傷程度,沖擊點有肋凸緣支持情況下均小于(或輕于)沖擊點四周懸空支持情況下。

沖擊點背面有梁凸緣(A系列)和長桁凸緣(C系列)支持情況下,各組試驗件中典型沖擊后的 C掃描圖片如圖 11和圖 12所示。

從圖中可以看出,隨著能量等級的增加,層板中內(nèi)部損傷面積增大,且損傷程度加重。與沖擊點四周懸空情況下相比較,在相同的能量等級作用下,無論是沖擊損傷面積,還是內(nèi)部損傷程度,沖擊點有梁凸緣支持情況下均小于(或輕于)沖擊點四周懸空支持情況下。對于 C系列試驗件,在長桁凸緣支持下,層板無目視可檢損傷,但利用 C掃描無損檢測可以發(fā)現(xiàn),在層板內(nèi)部出現(xiàn)了分層損傷。

3 沖擊損傷特性分析

3.1 沖擊能量與表面凹坑深度的關(guān)系

圖13和圖14為在三種支持形式(沖擊點四周懸空、有肋凸緣、粱凸緣或長桁凸緣支持)下,在不同能量等級沖擊下,A系列和 C系列試驗件前表面凹坑深度(采用百分表測量)與沖擊能量的關(guān)系。從圖中可以看出,隨著沖擊能量的增大,表面凹坑的深度增大。在沖擊點四周懸空支持條件下,在 0. 75J/層的能量等級作用下,某些試驗件凹坑深度已超過層板的厚度,此時層板已被穿透。在沖擊點背面有梁凸緣支持下,A系列試驗件表面凹坑深度很小,且隨能量增加很平緩。而對于沖擊點背面有長桁支持條件下,C系列前表面無目視可檢沖擊凹坑損傷。對于沖擊點背面有肋凸緣支持條件下,A系列和C系列試驗件表面凹坑深度均小于沖擊點四周懸空支持條件下。

3.2 沖擊能量與基體裂紋長度的關(guān)系

圖15和圖16為在三種支持形式(沖擊點四周懸空、有肋凸緣、粱凸緣或長桁凸緣支持)下,在不同能量等級沖擊下,A系列和C系列試驗件后表面基體裂紋長度(采用游標(biāo)卡尺測量)與沖擊能量的關(guān)系。隨著沖擊能量的增大,背面基體裂紋的長度增大。但對于沖擊點四周懸空支持條件下,當(dāng)沖擊能量超過0.65J/層時,背面基體裂紋長度的增長已很平緩,這是因為背面基體裂紋已經(jīng)到達(dá)試件的沖擊邊界。對于沖擊點背面有梁凸緣支持情況下,A系列試驗件背面基體裂紋長度增長很平緩,與該條件下前表面凹坑深度的增長規(guī)律相似。對于沖擊點背面有長桁支持條件下,C系列試驗件沖擊背面無目視可檢的基體裂紋開裂損傷。對于沖擊點背面有肋凸緣支持條件下,A系列和C系列試驗件沖擊背面基體裂紋長度均小于沖擊點四周懸空支持條件下。

3.3 沖擊能量與損傷面積的關(guān)系

圖17和圖18為在三種支持形式(沖擊點四周懸空、有肋凸緣、粱凸緣或長桁凸緣支持)下,在不同能量等級沖擊下,A系列和C系列試驗件損傷面積(采用C掃描測量)隨沖擊能量改變的變化規(guī)律,可見隨著沖擊能量的增加,層合板的損傷投影面積擴大。在沖擊點四周懸空支持條件下,A系列試驗件(材料T300/QY8911)相對于C系列試驗件(材料T300/5405)隨著沖擊能量的增加,其損傷面積增加相對平緩,表明其更好的抗沖擊阻抗性能。且從試件的外觀看,由于該系列試驗的沖擊能量均較大,試件背面的鋪層由于分層擴展被限制而出現(xiàn)纖維斷裂。在沖擊點背面有肋凸緣、梁凸緣或長桁凸緣支持下,相同能量沖擊損傷所造成的損傷投影面積均小于沖擊點四周懸空支持條件下所產(chǎn)生的損傷投影面積。

從前面三小節(jié)的分析可以看出,沖擊點位置不同的支持條件下,在相同的損傷能級的能量沖擊下,無論是沖擊面的凹坑深度、沖擊背面的基體裂紋長度,還是損傷投影面積均具有很大的差別。相同損傷能級的能量作用下,隨著沖擊點背面支持剛度的增加,沖擊所造成的損傷隨之減小。

4 沖擊后壓縮試驗

試驗件沖擊后首先采用超聲 C掃描進(jìn)行損傷檢測,然后采用砂輪切割機將試驗件切割成200mm ×80mm后進(jìn)行沖擊后壓縮試驗。試驗在南京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)強度研究所 WD2000A電子材料試驗機上進(jìn)行,加載速率為0.5mm/min。采用YJ-33型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀配合 YZ-22型轉(zhuǎn)換箱進(jìn)行應(yīng)變測量。壓縮試驗夾具由側(cè)邊支持和上下壓板組成,保證壓縮層板不發(fā)生總體失穩(wěn)破壞,壓縮試驗夾具見圖19所示。

圖19 沖擊后壓縮試驗裝置Fig.19 The post-impact compression test rig

沖擊后壓縮,所有試件的破壞均起始于試件的沖擊點位置,沿垂直于載荷的方向擴展破壞。圖 20為壓縮破壞時前后表面的破壞形式。試件在受壓過程中,分層擴展時層合板內(nèi)會發(fā)出響聲,當(dāng)載荷較低時,后表面會出現(xiàn)局部屈曲。繼續(xù)加載時,該失穩(wěn)區(qū)只沿垂直載荷方向(90°方向)向兩邊擴展,而在平行載荷方向(0°方向)不變動。當(dāng)載荷達(dá)到一定水平時,板的前后表面鋪層纖維發(fā)生斷裂,緊接著整個層合板發(fā)生最終破壞。圖 21為試驗件側(cè)面的破壞形式,從照片中可以看出,試件大部分鋪層均已發(fā)生斷裂,試件為截斷式,在長度方向存在局部分層現(xiàn)象。

圖20 復(fù)合材料層板沖擊后壓縮破壞外觀形態(tài)Fig.20 Damage of impacted composite laminateswhen failed (a)upper surface;(b)lower surface

5 沖擊后壓縮特性分析

5.1 沖擊能量與剩余強度的關(guān)系

圖22和圖 23分別描述了在不同支持條件(沖擊點四周懸空、肋凸緣支持、梁凸緣或長桁凸緣支持)下,在不同的沖擊損傷能級作用下,A系列和C系列試驗件剩余壓縮強度與沖擊能量的關(guān)系。

圖21 復(fù)合材料層板沖擊后壓縮破壞側(cè)向外觀形態(tài)Fig.21 Lateral damage of impacted composite laminates when failed

從圖中可以看出,無論在何種支持條件下,隨著沖擊能量的增加,試件的剩余強度隨之逐漸降低。在相同的沖擊能量作用下,沖擊點四周懸空支持條件下剩余壓縮強度最低,有肋凸緣支持情況下次之,有梁凸緣(或長桁凸緣)支持情況下剩余強度最高。對于 A系列試驗件,在沖擊點四周懸空和有梁凸緣支持條件下,剩余壓縮強度隨沖擊能量增加下降的幅度類似,而在有肋凸緣支持下則較為平緩。對于C系列試驗件亦可以得到類似的結(jié)論。

5.2 沖擊能量與強度降百分比的關(guān)系

圖24和圖 25分別描述了在不同支持條件(沖擊點四周懸空、肋凸緣支持、梁凸緣或長桁凸緣支持)下,在不同的沖擊損傷能級作用下,A系列和 C系列試驗件強度降百分比與沖擊能量的關(guān)系。(A系列試驗件的無損壓縮強度為617.37MPa,C系列試驗件的無損壓縮強度為579.28MPa)。

從圖中可以看出,對于沖擊點四周懸空支持條件下,在 0.45J/層損傷能級能量作用下,A系列和C系列試驗件的強度降達(dá)超過了60%,已經(jīng)嚴(yán)重影響其繼續(xù)使用。沖擊點背面有肋凸緣、梁凸緣(或長桁凸緣)支持下,試驗件的強度降相較于沖擊點四周懸空情況有所降低。但對于 A系列試驗件,在有梁凸緣支持條件下,在 0.65J/層損傷能級能量作用下,其強度降亦超過了 56%,亦已嚴(yán)重影響其繼續(xù)使用。對于 C系列試驗件,在有長桁凸緣支持條件下,在不同損傷能級能量作用下,其最大強度降達(dá)到 34%,亦已對層板的強度產(chǎn)生比較大的影響。

6 結(jié)論

本研究對兩種典型鋪層(A、C)、兩種材料體系(T300/QY8911、T300/5405)、三種支持形式(沖擊點四周懸空、有肋凸緣、粱凸緣或長桁凸緣支持)、六種損傷能級共計 20組 80件試驗件進(jìn)行沖擊損傷特性及其壓縮剩余強度試驗研究,研究結(jié)果如下：

(1)隨著沖擊損傷能級能量的增加,試件表面凹坑深度、損傷投影面積均線性增加,但沖擊背面基體裂紋達(dá)到一定程度后會趨于飽和?？梢哉J(rèn)為,表面凹坑深度、損傷投影面積可以用于表征沖擊損傷,而基體裂紋長度不可以用于表征沖擊損傷。

(2)在相同的沖擊損傷能級能量作用下,不同的支持條件,對損傷特性(表面凹坑深度、基體裂紋長度、損傷投影面積)有著很大的影響。隨著沖擊點背面支持剛度的增加,沖擊所造成的損傷隨之減小。

(3)復(fù)合材料層板沖擊后壓縮破壞同時包含了分層擴展、子層屈曲等損傷擴展現(xiàn)象,但最終的失效形式均為壓縮強度破壞。

(4)隨著沖擊損傷能級能量的增加,試件的剩余壓縮強度隨之下降。對于沖擊點四周懸空情況下,在0.45J/層損傷能級能量作用下,A系列和C系列試驗件的強度降超過了 60%,已經(jīng)嚴(yán)重影響其繼續(xù)使用。當(dāng)沖擊點背面有肋凸緣、梁凸緣(長桁凸緣)支持時,下降程度有所降低。對于 C系列試驗件,在有長桁凸緣支持條件下,在不同損傷能級能量作用下,其最大強度降達(dá)到 34%,亦已對層板的強度產(chǎn)生比較大的影響。

[1]NASA RP21142.Standard Tests for Toughened Resin Composite[S].1985

[2]Suppliers of Advanced Composite Materials Association SRM 2288,Test Method for Compression after Im pact Properties of Oriented Fiber Resin Composites[S].1998

[3]Boeing Specification Support Standard BSS 7620,Advanced Composite Compression Tests[S].1982

[4]CURTISP T.RAETR 88012[S](Royal Aerospace Establishment,UK).1988

[5]PRICHARD JC,HOGG P J.The role of impact damage in post-impact compression testing[J].Composites,1990, 21(6)：503-510

[6]KIMPARA I,KAGEYAMA K,SUZUKI T,et al.Simplified and unified app roach to characterization of compressive residual strength of impact-damaged CFRP lam inates[C]∥JK Kim and T X Yu eds,Impact Responseand Dynamic Failure of Composites and Lam inate Materials,Part I, Trans-tech Publications,1998,19-33

[7]HB 6739—1993.碳纖維復(fù)合材料層合板沖擊后壓縮試驗方法[S].(中國航空工業(yè)總公司).1993.