李景彬

摘要：利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展三點(diǎn)彎曲和準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓潰實(shí)驗(yàn)研究了CFRP薄壁管腔結(jié)構(gòu)件的耐撞性能，結(jié)果表明準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓潰的比性能率為60～80kJ/kg，破壞形式為花瓣型；而三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)說(shuō)明管件的側(cè)向吸能比較差。管件的軸向與側(cè)向初始載荷峰值與厚度成等比例的增長(zhǎng)，軸向和側(cè)向的比吸能率略有提高；偏薄管件在軸向壓潰過(guò)程中易發(fā)生局部屈曲，偏厚管件則趨向于穩(wěn)定壓潰吸能。

關(guān)鍵詞：CFRP；耐撞性能；軸向壓潰；三點(diǎn)彎曲

1.引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fibre Reinforced Plastic，CFRP）因其高比強(qiáng)度和比模量等特性作為輕量化材料廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車工業(yè)等領(lǐng)域，在航空航天領(lǐng)域的主流應(yīng)用為吸能和抗沖擊結(jié)構(gòu)，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用則主要是覆蓋件或外包圍件，基于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的良好耐撞性能，研究人員嘗試將其應(yīng)用于汽車的吸能結(jié)構(gòu)[1]和車身結(jié)構(gòu)，典型的案例如寶馬的Megacity[2]和荷蘭的SuperBus等。將CFRP材料應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)是汽車輕量化的新嘗試，其減重效果明顯[3]，但能否滿足汽車車身結(jié)構(gòu)的安全性能要求則有待驗(yàn)證。安全性能要求則從汽車碰撞的工況出發(fā)，分析結(jié)構(gòu)的耐撞性能，而影響車身結(jié)構(gòu)安全性能的碰撞工況主要是滾壓工況和側(cè)碰工況，結(jié)構(gòu)件依此分解為軸向壓潰和側(cè)向的三點(diǎn)彎曲的力學(xué)行為。因此，本文開(kāi)展了熱壓CFRP薄壁管腔結(jié)構(gòu)件的耐撞性能實(shí)驗(yàn)研究，包括側(cè)向三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓潰實(shí)驗(yàn)，獲得此類構(gòu)件的軸向和側(cè)向比吸能率等參數(shù)，研究比較了管壁厚度對(duì)構(gòu)件耐撞性能的影響規(guī)律。

2.試件結(jié)構(gòu)

試件為薄壁管腔結(jié)構(gòu)，截面形狀近似為雙帽形，實(shí)物如圖1（a）所示，詳細(xì)尺寸見(jiàn)圖1（b），其中合邊厚度為2t，管腔壁厚為t，長(zhǎng)度l為可變參數(shù)，其他參數(shù)見(jiàn)表1。樣件由東麗T300平紋機(jī)織碳纖維布和EponDPL862環(huán)氧樹(shù)脂在熱壓工藝下制作而成，固化劑為RSC763芳香胺固化劑。碳纖維管的碳布鋪層均為[0]n，管件軸向?yàn)椴牧现鬏S（縱軸，1-direction）方向，厚度方向?yàn)榉ㄏ颍?-direction）方向，材料橫軸（2-direction）方向由右手螺旋法則確定。軸向壓潰和三點(diǎn)彎曲依鋪層層數(shù)和厚度分為3組，每組樣件制備3件。

準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓潰實(shí)驗(yàn)和側(cè)向三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖2所示，測(cè)試設(shè)備為新三思5305微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，軸向壓潰實(shí)驗(yàn)的壓頭載荷速率為10mm/min，三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)載荷為5mm/min，均為位移控制。微機(jī)自動(dòng)記錄力與位移曲線，使用DV錄制實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并拍照記錄相關(guān)破壞情況。

（a）軸向壓潰實(shí)驗(yàn) （b）三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)

圖2碳纖維管件耐撞性能實(shí)驗(yàn)

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

樣件實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，（a）為準(zhǔn)靜態(tài)壓潰實(shí)驗(yàn)的力與位移曲線圖，（b）為側(cè)向的三點(diǎn)彎曲結(jié)果，相應(yīng)的耐撞性能參數(shù)見(jiàn)表2和表3。由表中數(shù)據(jù)可知，對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓潰，CFRP薄壁管件的比吸能率在60～80kJ/kg，比吸能率也隨厚度逐漸增大，單位厚度遞增量則逐漸減小，初始峰值載荷與厚度近似線性關(guān)系；對(duì)側(cè)向的三點(diǎn)彎曲，比吸能率遠(yuǎn)低于軸向壓潰，基本都在10kJ/kg以下，比吸能率和初始峰值載荷與厚度的關(guān)系類似于軸向壓潰。

碳纖維管件的軸向吸能原理主要是通過(guò)類似于歐拉屈曲的管件斷裂和材料的粉化吸能。以六層碳布管件為例，在初始接觸時(shí)，管件端部發(fā)生屈曲現(xiàn)象，然后管件端部在倒角處開(kāi)裂，層合材料開(kāi)始向內(nèi)外卷曲，成花瓣型（splaying）的破壞，壓潰行程加深，材料逐漸斷裂和不斷粉化，漸進(jìn)壓潰至管件不再有壓縮空間，見(jiàn)圖4（a），反應(yīng)在力與位移曲線上則為典型的漸進(jìn)性壓潰的特征；圖（b）為部分三層碳布樣件的壓潰結(jié)果，可以明顯看出壓潰過(guò)程中出現(xiàn)局部屈曲，導(dǎo)致管壁形成塊狀斷裂，異于偏厚管件的卷曲破壞形式，曲線上通常表現(xiàn)為力偏小且有明顯下降，導(dǎo)致吸能減少。

（a）六層碳布破壞形式（花瓣型） （b）三層碳布破壞形式（有局部屈曲）

圖4 CFRP薄壁管件軸向壓潰的破壞形式

圖5 CFRP薄壁管件三點(diǎn)彎曲的破壞形式

碳纖維管件的側(cè)向吸能主要依靠管件在壓頭作用線下的材料斷裂吸能，即環(huán)管壁斷裂線的基體和纖維斷裂吸能，如圖5所示。由于三點(diǎn)彎曲破壞形式簡(jiǎn)單明確，厚度對(duì)此破壞形式?jīng)]有表現(xiàn)出明顯差異。

4.結(jié)論

通過(guò)對(duì)CFRP薄壁管件的開(kāi)展準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓潰實(shí)驗(yàn)和側(cè)向三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，獲得樣件的耐撞性能，軸向比吸能率在60～80kJ/kg，側(cè)向比吸能率在10kJ/kg以下；厚度顯著影響樣件的耐撞性能參數(shù)，表現(xiàn)出隨厚度增大而增大的趨勢(shì)，并且厚度導(dǎo)致軸向破壞形式差異，偏薄管件易發(fā)生局部屈曲，降低管件吸能能力，偏厚管件則為典型漸進(jìn)壓潰和花瓣型破壞形式，但對(duì)三點(diǎn)彎曲破壞形式的影響可以忽略不計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]L. Greve， A.K. Pickett， F. Payen. Experimental testing and phenomenological modelling of the fragmentation process of braided carbon/epoxy composite tubes under axial and oblique impact[J]. Composites： Part B， 2008（39）：1221–1232

[2]Jacob A. BMW counts on carbon fibre for its Megacity Vehicle[J]. Reinforced Plastics，2010（54）：38-41.

[3]Qiang Liu；Huanlin Xing；Yang Ju；Zhengyan Ou；Qing Li. Quasi-static axial crushing and transverse bending of double hat shaped CFRP tubes[J]. Composite Structures，2014（117）：1-11