三維編織物增強復(fù)合材料橫向沖擊頻域響應(yīng)特征

張 巖，孫寶忠

（東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海201620）

采用改進型分離式霍普金森桿測試三維編織物增強復(fù)合材料在橫向（試樣厚度方向）沖擊加載模式下動態(tài)力學(xué)響應(yīng)特征.試驗結(jié)果表明，最大載荷隨沖擊速度增加而增加，從試樣破壞顯微照片中可以得出，隨著沖擊速度增加，三維編織物增強復(fù)合材料失效模式由樹脂開裂變?yōu)槔w維束斷裂.采用快速傅里葉變換方法將三維編織物增強復(fù)合材料橫向沖擊時間－載荷曲線轉(zhuǎn)換為頻域內(nèi)頻率－振幅曲線，從曲線中可以得出橫向沖擊應(yīng)力波頻率主要集中于低頻區(qū)域，且應(yīng)力波振幅隨沖擊速度增加而增加.

三維編織物增強復(fù)合材料；橫向沖擊；霍普金森桿；快速傅里葉變換；頻域特征

三維編織物由3根或3根以上紗線相互纏繞或正交交錯交織而成.三維編織物加強了織物厚度方向的力學(xué)性能，因而由其制成的三維編織物增強復(fù)合材料在受力時不會像層合復(fù)合材料一樣出現(xiàn)分層現(xiàn)象.基于三維編織物的整體結(jié)構(gòu)、堅固耐用、設(shè)計靈活等特征，三維編織物及其復(fù)合材料廣泛用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、體育等領(lǐng)域［1］.三維編織復(fù)合材料在以上領(lǐng)域應(yīng)用過程中不可避免會受到?jīng)_擊載荷作用，因此研究其在沖擊載荷下的動態(tài)力學(xué)性能有重要意義.針對三維編織物增強復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能的研究已有很多［2－7］，但這些研究主要集中于時域內(nèi)，均是在時間尺度上表征三維編織物增強復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)響應(yīng).本文采用時頻轉(zhuǎn)換方法將時間尺度上動態(tài)力學(xué)特征轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)，在頻域內(nèi)探究三維編織物增強復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能.

1 三維編織物增強復(fù)合材料及測試

1.1 三維編織物增強復(fù)合材料

使用日本東麗公司（Toray?）生產(chǎn)的T300－6k碳纖維束，采用四步法1×1編織方法編織三維織物.三維編織物的紗錠分布為29×5，編織角為（28±3）°，節(jié)長為（3.2±0.2）mm.常溫下，采用樹脂傳遞模塑方法（RTM）將環(huán)氧樹脂（TDE－85）注入三維編織物.固化工藝：首先在130℃下固化2h，然后升溫至150℃固化1h，繼續(xù)升溫至160℃固化8h，最后在180℃條件下固化3h.

最終固化后的三維編織物增強復(fù)合材料如圖1所示，其尺寸為125mm（長）×25mm（寬）×3mm（厚），纖維體積分數(shù)約為58%.

圖2 改進型分離式霍普金森桿裝置Fig.2 Modified split Hopkinson bar apparatus

圖1 三維編織物增強復(fù)合材料形態(tài)Fig.1 Photograph of 3－D braided fabric reinforced composite

1.2 橫向沖擊測試

采用改進型分離式霍普金森壓桿（如圖2所示）測試三維編織物增強復(fù)合材料橫向沖擊性能.該裝置由氣槍、撞擊桿、輸入桿和動力捕獲裝置組成，撞擊桿和輸入桿長度分別為300和800mm，撞擊桿和輸入桿及輸入桿半球形端部直徑均為14.5mm.

改進型分離式霍普金森桿的工作原理如圖3所示.根據(jù)一維應(yīng)力波理論，當(dāng)撞擊桿撞擊輸入桿時，產(chǎn)生一個長度為撞擊桿長度兩倍的彈性波長，并沿輸入桿向前傳播.當(dāng)應(yīng)力波到達輸入桿和試樣接觸面處時，彈性應(yīng)力波分為兩部分：一部分進入試樣內(nèi)部，另一部分應(yīng)力波則沿原路返回.沿原路返回的應(yīng)力波在到達輸入桿端部時，因自由面反射，再次變?yōu)闆_擊波沿輸入桿傳播并撞擊試樣.這一過程將持續(xù)多次直至應(yīng)力波消散或試樣斷裂.為了記錄應(yīng)力波傳播歷史，兩個應(yīng)變片串聯(lián)后呈180°貼于輸入桿中間位置.這種貼法可以盡量避免輸入桿在沖擊過程中左右擾動引起信號偏差.

圖3 改進型分離式霍普金森桿測試原理Fig.3 Testing principle of modified split Hopkinson bar

橫向沖擊試驗中試樣所承受載荷、位移、應(yīng)力波速度及能量吸收可由式（1）～（4）［8］計算得：

其中：εI（t）和εR（t）分別為應(yīng)變片采集到的輸入脈沖和反射脈沖；E，A，ρ分別為輸入桿楊氏模量、橫截面積和密度；t為時間.由式（1）～（4）可得試樣所受沖擊載荷及位移均為時間函數(shù)，故可以通過消去時間得到三維編織物增強復(fù)合材料載荷－位移曲線.本文采取3個沖擊速度分別為13.6，17.8和22.8 m／s，每個速度進行3次重復(fù)試驗，以得到重復(fù)性較好數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與討論

2.1 動態(tài)力學(xué)響應(yīng)

由式（1）～（4）計算得到三維編織物增強復(fù)合材料載荷－位移曲線如圖4所示.根據(jù)分離式霍普金森桿工作原理可知，輸入桿會對試樣進行多次沖擊，所以載荷－位移曲線表現(xiàn)出波動性.由于較高沖擊速度擁有更大沖擊能量，沖擊載荷最大值隨著沖擊速度增大而增大.在任一沖擊速度下，載荷最大值隨著沖擊次數(shù)增加而減小，其隨沖擊次數(shù)的變化如表1所示.經(jīng)過4次沖擊后，在13.6，17.8和22.8m／s 3種沖擊速度下，相應(yīng)的最大載荷分別下降了36.2%，38.7% 和30.9%.圖4中同一沖擊速度下試樣受到單次沖擊位移變化如表2所示，隨著沖擊次數(shù)的增加，試樣位移逐漸減小.同時也可以觀察到試樣位移隨沖擊速度的增加而增加.

圖4 三維編織物增強復(fù)合材料橫向沖擊載荷－位移曲線Fig.4 Load－displacement curve of 3－D braided fabric reinforced composite under transverse impact

表1 三維編織物增強復(fù)合材料在3種沖擊速度下的最大載荷Table 1 Peak load of 3－D braided fabric reinforced composite under 3different impact velocities

2.2 破壞形態(tài)及失效模式

三維編織物增強復(fù)合材料在3種沖擊速度下橫向沖擊加載模式的局部失效形態(tài)如圖5～7所示.由圖5可知，從正面形態(tài)中可以看到在輸入桿與試樣沖擊點處有凹坑，為輸入桿沖擊過程中對試樣壓縮所致，沖擊點附近可以明顯觀察到樹脂裂痕及纖維束與樹脂界面脫黏；相比于正面破壞形態(tài)，背面形態(tài)中只有碳纖維束和樹脂基體脫黏引起的微小裂痕.三維編織物增強復(fù)合材料在13.6m／s沖擊速度下失效模式主要為樹脂開裂和纖維束與樹脂脫黏.

在17.8和22.8m／s沖擊速度下三維編織物增強復(fù)合材料完全斷裂，所以取一半試樣進行觀察.由圖6和7可以清晰地觀察到樹脂開裂和纖維束的斷裂.可見三維編織物增強復(fù)合材料在17.8和22.8m／s沖擊速度下的失效模式為樹脂開裂和纖維束斷裂.

圖7 三維編織物增強復(fù)合材料橫向沖擊失效形態(tài)（v＝22.8m／s）Fig.7 Fracture morphology of 3－D braided fabric reinforced composite under transverse impact（v＝22.8m／s）

3 頻域響應(yīng)特征

三維編織物增強復(fù)合材料橫向沖擊時間－載荷曲線經(jīng)FFT變換后得到頻率－振幅曲線如圖8所示.由圖8可知，沖擊應(yīng)力波頻率分布在0～200kHz之間，其中振幅較高同時也是沖擊能量較為集中部分主要在0～50kHz之間.由此可以看出，三維編織物增強復(fù)合材料橫向沖擊應(yīng)力波能量主要集中于低頻部分.

圖8 三維編織物增強復(fù)合材料在3種沖擊速度下頻率－振幅曲線Fig.8 Frequency－amplitude curve of 3－D braided fabric reinforced composite under 3different impact velocities

三維編織物增強復(fù)合材料在3個沖擊速度下局部頻率（0～50kHz）特征對比如圖9所示.由圖9可以看出，隨著沖擊速度增加，沖擊應(yīng)力波振幅逐漸增加，但振幅最大值對應(yīng)頻率無明顯變化.由此可以得出，三維編織物增強復(fù)合材料在低速范圍內(nèi)橫向沖擊加載速度變化對應(yīng)力波頻率幾乎無影響，也即三維編織物增強復(fù)合材料在3種沖擊速度下振動頻率相同，但對應(yīng)力波振幅幅值影響較大.

圖9 三維編織物增強復(fù)合材料在3種沖擊速度下局部頻率－振幅曲線Fig.9 Local frequency－amplitude curve of 3－D braided fabric reinforced composite under 3different impact velocities

4 結(jié) 語

本文測試了三維編織物增強復(fù)合材料在橫向沖擊加載模式下動態(tài)力學(xué)性能，從載荷－位移曲線中可以看出最大載荷及最大載荷處對應(yīng)位移均隨沖擊速度增加而增大.而在同一沖擊速度下，最大載荷及其對應(yīng)位移隨沖擊次數(shù)增加而減小.從破壞形態(tài)中可以得出，三維編織物增強復(fù)合材料在13.6m／s沖擊速度下的失效模式以樹脂開裂以及纖維束與樹脂脫黏為主，而隨著沖擊速度增加，失效模式主要表現(xiàn)為纖維束斷裂.三維編織物增強復(fù)合材料橫向沖擊時間－載荷曲線經(jīng)快速傅里葉變換（FFT）后發(fā)現(xiàn)沖擊應(yīng)力波頻率主要集中于低頻段，沖擊應(yīng)力波振幅隨著沖擊速度增加而逐漸增大，而在3種沖擊速度下的沖擊應(yīng)力波振幅最大值對應(yīng)頻率相同.

參 考 文 獻

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The Frequency Domain Character of 3－D Braided Fabric Reinforced Composite under Transverse Impact

ZHANGYan，SUNBao－zhong
（College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The dynamic mechanical response of three－dimensional （3－D）braided fabric reinforced composite under transverse impact was tested with modified split Hopkinson bar.The experimental results showed that the peak load increased with the increase of impact velocity.Based on the fracture morphologies of 3－D braided fabric reinforced composites，the failure mode was changed from resin crack to fiber tows breakage with the increase of impact velocity.The frequency－amplitude curve in frequency－domain can be obtained from time－load curve in time－domain by fast Fourier transform （FFT）method.It can be observed from the curve that the impact stress wave mainly concentrated on the low frequency area and the stress wave amplitude increased with the increase of impact velocity.

3－D braided fabric reinforced composite；transverse impact；Hopkinson bar；fast Fourier transform；frequency－domain character

TB 332

A

1671－0444（2013）01－0037－05

2012－06－21

張 巖（1986－），男，山東東營人，博士研究生，研究方向為三維編織復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能.E－mail：zhangyan1986＠m(xù)ail.dhu.edu.cn

孫寶忠（聯(lián)系人），男，副教授，E－mail：sunbz＠dhu.edu.cn