黃　興

(同濟大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海 200092)

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含棉纖維冰的抗壓性能試驗

黃興

(同濟大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海 200092)

利用材料萬能試驗機，對棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、6%、9%和12%的冰試樣進行了應(yīng)變率為10-3/s～10-1/s的單軸壓縮試驗。得到了一系列的應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究了應(yīng)變率和棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對冰力學(xué)性能的影響。試驗結(jié)果表明：冰的抗壓強度具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性，添加棉纖維可以提高冰的抗壓強度和韌性。在10-3/s應(yīng)變率下，棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過6%時，冰的抗壓強度隨棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小；在10-1/s應(yīng)變率下，冰的抗壓強度隨棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。

冰；棉纖維；單軸壓縮試驗；應(yīng)變率；應(yīng)力應(yīng)變

0　引言

航空飛行器在飛行時會遭遇各種惡劣天氣，其中，冰雹粒子的高速沖擊嚴(yán)重威脅近地飛行器的安全。飛行器從尚未起飛到對流層、平流層及其他大氣分布層的飛行過程中，都面臨著冰雹沖擊的威脅。近年來，冰雹損傷飛機事件頻發(fā)[1-3]。冰雹災(zāi)害來勢猛、沖擊強度大，以不同的形狀、大小和速度撞擊飛行器，尤其對迎風(fēng)面積大的風(fēng)擋處、機頭鼻錐、機翼前緣、發(fā)動機進氣口、油箱、雷達整流罩和駕駛艙門等處的破壞最嚴(yán)重，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性事故的發(fā)生[1]。研究冰雹沖擊航空飛行器，主要有試驗和數(shù)值模擬兩種方法。冰雹高速沖擊試驗可以直接觀察冰雹沖擊過程和靶的失效模式，但是試驗過程復(fù)雜、耗時較長，并且成本很高。有限元數(shù)值模擬方法能夠在一定程度上再現(xiàn)航天器受冰雹沖擊的損傷場景，通過分析沖擊結(jié)果，可以降低試驗成本，但有效的模擬結(jié)果需要提供準(zhǔn)確的冰雹材料性能參數(shù)。

由于天然冰雹結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜，且獲取困難，試驗過程中，通常采用人工模擬冰雹來代替天然冰雹。不少學(xué)者對冰的力學(xué)性能進行了研究。文獻[4-5]研究了海冰和淡水冰的力學(xué)性能，認(rèn)為冰是一種應(yīng)變率相關(guān)性材料，低應(yīng)變率狀態(tài)有延性，高應(yīng)變率狀態(tài)呈脆性。文獻[6]進行了水庫冰的單軸壓縮試驗，分析了水庫冰的抗壓強度和應(yīng)變率、溫度的關(guān)系。文獻[7]研究了多晶冰抗壓強度的粒徑效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)冰的抗壓強度與粒徑平方根的倒數(shù)呈正比例關(guān)系，破壞應(yīng)變隨粒徑的增大呈線性減小。文獻[8]進行了淡水冰的系列單軸抗壓試驗，同樣證實了冰的抗壓強度具有應(yīng)變率相關(guān)性，還發(fā)現(xiàn)冰的抗壓強度具有方向性，晶粒生長方向強度較高。文獻[9]在人工冰雹制作標(biāo)準(zhǔn)中提出，可在水中摻入12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的棉纖維，來模擬自然界中冰雹，以獲得與其相似的密度和韌性。目前，關(guān)于冰的力學(xué)性能的研究主要集中在海冰和淡水冰，尚未有含棉纖維冰力學(xué)性能的研究報道。

本文利用材料萬能試驗機對棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、6%、9%和12%的冰試樣進行了單軸壓縮試驗，得到了一系列應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析了應(yīng)變率和棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對冰的力學(xué)性能的影響，為航空飛行器冰雹撞擊數(shù)值模擬提供冰雹材料參數(shù)，并為航空飛行器防雹設(shè)計提供依據(jù)。

1　試驗方案

1.1試樣制備

冰柱模具上部為圓筒，兩端是蓋子，采用模頭和模身分段設(shè)計，容易脫模。圓筒的高度為70 mm，內(nèi)徑為50 mm。模具材料為聚碳酸脂(polycarbonate，PC)，是一種性能優(yōu)異的通用工程塑料，具有透明性好、硬度高、耐低溫和耐磨等特點，適用溫度為-40～100 ℃。模具內(nèi)表面光滑，導(dǎo)熱相對較快，易脫模。使用蒸餾水制作冰柱，把蒸餾水倒入模具(制作含棉冰柱時，先把棉纖維稱量好提前放入模具)，置于深冷冰箱，溫度設(shè)置為-2 ℃。因為在凝固點附近結(jié)冰，水中會有一個正的溫度梯度，凝固過程采取平面式推進，所以不會有枝狀晶體把氣泡困在中間，能形成比較純凈、均勻的冰柱。等水完全結(jié)成冰，把冰柱從模具中取出，兩端面經(jīng)手工仔細(xì)刨削，最后在平臺玻璃板上研磨平整，保證試樣的上下端面平行，且與軸向垂直。試驗前，把冰柱試樣放置在深冷冰箱(-18 ℃)中儲存24 h，以保持冰試樣溫度的均勻性，自然冰在-15 ℃以下可以進行長期保存與加工，不會引起結(jié)晶變化，能夠保持自然冰的力學(xué)特性[10]。圖1為制備好的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰柱試樣。

圖1　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰柱試樣(棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為0%、3%、6%、9%和12%)

1.2試驗步驟

在室溫條件下，利用計算機控制的材料萬能試驗機對冰柱進行勻速加載，試驗機上下壓頭之間的位移由高精度位移傳感器檢測，上壓頭的載荷傳感器用于測量載荷。在試驗前，先把在深冷冰箱(-18 ℃)中儲存過的尼龍墊片放置在上下壓頭，以減少壓頭和試樣的溫差對冰柱強度造成的影響。然后，小心放置冰柱試樣，盡量使傳感器軸線、試驗機中心線和冰柱試樣的幾何軸線重合，以保證加載的均勻性與軸線性。調(diào)節(jié)上壓頭，使其與冰柱上表面緊密接觸。啟動試驗機，設(shè)置試驗參數(shù)，調(diào)節(jié)加載速率，試驗開始。試驗機的上壓頭勻速下降，對冰柱施加軸向壓力，試樣破壞時，試驗自動完成，并自動保存試驗數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理。試樣兩端的-18 ℃儲存過的隔熱尼龍墊片，每次試驗都要更換一次。

2　結(jié)果和分析

2.1不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰的應(yīng)力應(yīng)變曲線

冰柱單軸壓縮試驗的應(yīng)變率為10-3/s ～10-1/s，棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、6%、9%和12%。由于純冰試樣(棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%)試驗數(shù)據(jù)離散性較大，每組應(yīng)變率進行了不少于5組重復(fù)性試驗。棉纖維冰試樣(棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%、6%、9%和12%)數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，每組應(yīng)變率進行了不少于3組重復(fù)性試驗。選取不同應(yīng)變率下處于平均水平的試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線進行分析。

圖2給出了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰的應(yīng)力應(yīng)變曲線開始呈線性關(guān)系，該段體現(xiàn)了冰柱承載線性變形的線彈性階段。隨著應(yīng)力繼續(xù)增大，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰的應(yīng)力應(yīng)變曲線在不同應(yīng)變率下的形式不同，含棉纖維冰的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀發(fā)生明顯變化。

如圖2所示，當(dāng)應(yīng)變率為10-3/s時，純冰(棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%)應(yīng)力會隨著加載的進行而逐漸增大，達到最大應(yīng)力后，隨著加載的持續(xù)，應(yīng)力逐漸減小，試樣經(jīng)歷屈服和應(yīng)變軟化階段，應(yīng)變進一步增加，應(yīng)力下降的速度變慢。試樣在加載后，表面呈不規(guī)則縱向階梯狀，中部有鼓脹現(xiàn)象。這是由于在準(zhǔn)靜態(tài)加載過程中，應(yīng)力逐漸增大到一定值，冰柱內(nèi)部的微裂紋開始延伸，隨著應(yīng)力的提高，裂紋逐漸增多，相互擴展和連通，試樣破壞。

隨著加載速率的提高，在10-2/s和10-1/s應(yīng)變率下，純冰應(yīng)力會迅速增大到一定值后突然下降，試樣破壞，失去承載能力，表現(xiàn)出脆性性質(zhì)。冰柱的破壞沒有任何預(yù)兆，當(dāng)達到最大應(yīng)力后，冰柱突然破壞，縱向劈裂成若干部分，多含有大塊碎塊，整體被破壞，瞬間失去承載能力。10-2/s應(yīng)變率下的冰柱劈裂速度慢，伴有細(xì)微的聲響，裂塊之間仍有黏結(jié)。10-1/s應(yīng)變率下，由于加載速度快，冰柱瞬間崩裂，伴有碎冰塊從冰柱迸出，并伴有較大聲響，碎塊體積相對較小。

圖2　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰的應(yīng)力應(yīng)變曲線

不同應(yīng)變率下含棉纖維冰柱的應(yīng)力應(yīng)變曲線形式不同。當(dāng)應(yīng)變率為10-3/s時，含棉纖維冰柱的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈現(xiàn)出3個階段：第1階段，從開始加載到峰值應(yīng)力，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出一個明顯的線彈性階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大呈線性增長關(guān)系，達到最大；第2階段，達到屈服應(yīng)力之后，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而減小，試樣經(jīng)歷屈服和應(yīng)變軟化階段；第3階段，棉纖維之間的氣孔孔壁逐漸被壓碎，應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)力隨應(yīng)變基本不發(fā)生變化或者僅隨應(yīng)變的增加緩慢增加，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為比較長的一段屈服平臺，此階段曲線稱為材料在變形過程中的平臺區(qū)。在此應(yīng)變率下，冰柱在加載后無明顯目視可見裂紋，直至加載完畢，冰柱表面都沒有明顯裂紋，沒有明顯的破壞現(xiàn)象，表面有微小碎冰片脫落，只表現(xiàn)為縱向縮短，徑向鼓脹，產(chǎn)生明顯變形，可以一直承載外力。

當(dāng)應(yīng)變率為10-2/s時，含棉纖維冰柱應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而增大，直接進入屈服平臺區(qū)。棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、6%和9%冰柱的屈服強度值相差不大，但平臺值隨著棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增大。隨著載荷增大，試樣表面產(chǎn)生細(xì)微裂紋，并且逐漸增大，由于棉纖維的黏結(jié)作用，阻礙裂紋向冰柱內(nèi)部擴展，冰柱并沒有完全開裂。冰柱整體性沒有破壞，可以一直承載外力。

當(dāng)應(yīng)變率為10-1/s時，在試驗機壓頭快速移動時，含棉纖維冰柱應(yīng)力會迅速線性增大到一定值后突然下降，試樣失去承載能力，表現(xiàn)出明顯的脆性性質(zhì)。其中，綿纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的冰柱為縱向劈裂破壞，綿纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、9%和12%的冰柱沿斜45°方向呈剪切破壞，破碎成若干塊，碎塊之間有棉纖維黏結(jié)，破壞后的碎塊內(nèi)部表面平整，裂紋很少。

2.2不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)棉纖維冰的抗壓強度

棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對冰的抗壓強度影響很大，表1為含棉纖維冰的抗壓強度隨應(yīng)變率變化關(guān)系。冰柱的單軸壓縮試驗數(shù)據(jù)的離散性很大，這主要是由冰材料本身的脆性導(dǎo)致的，每個試樣都是由單獨的模具人工制備，很難保證試樣的完全一致性。從表1中可以看出：在準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率范圍(10-3/s ～10-2/s)內(nèi)，純冰的抗壓強度隨應(yīng)變率減小而減小，從2.29 MPa降到1.42 MPa，這與文獻[11]的結(jié)果趨勢一致。隨后進入中應(yīng)變率(10-1/s)時，又增大到2.05 MPa，這與文獻[12]的試驗結(jié)果接近。

添加棉纖維可以有效提高冰柱的抗壓強度，含棉纖維冰的抗壓強度隨應(yīng)變率的增大而增大，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率正相關(guān)性。當(dāng)應(yīng)變率為10-3/s，棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于6%時，冰柱的抗壓強度隨棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高而增大；棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6%時，冰柱的抗壓強度隨著棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而減小。這主要是因為低應(yīng)變率下，棉纖維黏性效果明顯，纖維之間并沒有斷裂；棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時，棉纖維的柔性表現(xiàn)的更為明顯。隨著應(yīng)變率的增大，冰柱發(fā)生劈裂破壞或者沿斜45°方向呈剪切破壞，破碎成若干塊，碎塊之間有棉纖維黏結(jié)，部分纖維斷裂，冰柱的抗壓強度隨著棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增大。但3%棉纖維冰柱的抗壓強度先增大后減小，主要因為其纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，分布不均，凍結(jié)過程中形成的內(nèi)部氣孔較大，這些局部性的影響隨著應(yīng)變率的升高而越來越明顯，在中應(yīng)變率(10-1/s)下，氣孔較大且纖維較少的部分首先迅速崩裂導(dǎo)致冰柱破壞，降低了冰柱的抗壓強度。

表1　含棉纖維冰的抗壓強度隨應(yīng)變率變化關(guān)系　MPa

3　結(jié)論

(1)添加棉纖維可以有效提高冰柱的強度和韌性，含棉纖維冰柱也具有正應(yīng)變率相關(guān)性。當(dāng)應(yīng)變率為10-3/s，棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于6%時，冰柱的抗壓強度隨棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高而增大；棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6%時，冰柱的抗壓強度隨著棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高而減小。應(yīng)變率為10-1/s時，冰柱的抗壓強度隨著棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增大。

(2)應(yīng)變率為10-3/s含棉纖維冰柱的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀發(fā)生明顯變化，可以分為線彈性階段、屈服軟化階段和平臺區(qū)3個階段。

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中航工業(yè)集團公司航空科學(xué)基金項目(2014ZD38)

黃興(1990-),男,河南開封人,碩士生,主要研究方向為固體力學(xué).

2016-04-10

1672-6871(2016)06-0001-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.001

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