劉穎紅林,李 偉,蔣 鵬,郭福平,楊 暢

(1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318;2.廣東茂名石油化工學(xué)院,廣東茂名 525000)

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比,具有更高的強(qiáng)度和剛度,在民用結(jié)構(gòu)、航空航天、汽車工業(yè)等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。隨著航天航空及國(guó)防工業(yè)對(duì)復(fù)合材料容器的制備需求的上漲,以及氫能產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展,復(fù)合材料壓力容器在制造過程及使用過程中出現(xiàn)的復(fù)雜損傷和機(jī)械性能分析問題,成為制約其普及的一大門檻[3-4]。

多向復(fù)合材料損傷機(jī)制的研究比各向同性材料和一般均質(zhì)各向異性材料復(fù)雜得多,其特殊的微觀結(jié)構(gòu)組成(各向異性、非均勻性、纖維/基體界面特性),導(dǎo)致復(fù)合材料的損傷機(jī)理涉及許多復(fù)雜力學(xué)行為[5]。其中,臨界能量釋放率(GIc)是在保證平面應(yīng)變條件下得到的表征裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的力學(xué)參量臨界值,可用于預(yù)測(cè)復(fù)合材料在多種力學(xué)測(cè)試下的分層[6]。但多向復(fù)合材料層合板的臨界能量釋放率由于其復(fù)雜性,因此較難測(cè)量。利用聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)技術(shù)可以在整個(gè)試驗(yàn)期間連續(xù)檢測(cè)不可觀測(cè)的微裂紋,并不間斷地跟蹤裂紋的萌生和演化,因此結(jié)合斷裂力學(xué)、有限元分析和理論建模,聲發(fā)射檢測(cè)也可以有效評(píng)估分層損傷[7-12]。

本文針對(duì)復(fù)合材料氣瓶的多方向纏繞損傷模式復(fù)雜的問題,制作不同界面纖維取向的玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)層合板,進(jìn)行雙懸臂梁(Double Cantilever Beam,DCB)聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn),期望有效提高預(yù)測(cè)分層損傷的準(zhǔn)確度,并對(duì)多向復(fù)合材料層合板中損傷的形成機(jī)制進(jìn)行深入研究,以便與聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)合形成一套新型預(yù)測(cè)方法,解決聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的損傷識(shí)別問題。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料制備

在復(fù)合材料層合板制作疊層時(shí),為了將層合板整體彎曲剛度保持在可接受的范圍內(nèi),設(shè)計(jì)了4組具有[[±ν/05]AS]AS堆疊結(jié)構(gòu)且層間取向?yàn)?°(Unidirectional,UD),30°,45°,60°的玻璃纖維/環(huán)氧24層層合板,如圖1所示。根據(jù)ASTM/D5528StandardTestMethodforModeIInterlaminarFractureToughnessofUnidirectionalFiber-ReinforcedPolymerMatrixComposites制作尺寸為25 mm×175 mm×4.8 mm的層合板,在第12層和第13層間插入聚四氟乙烯(PTEE)薄膜,作為預(yù)制裂紋。

圖1 GFRP層合板

1.2 測(cè)試裝置及方法

根據(jù)ASTM/D5528標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試,采用SHIMADZU AG Series萬能電子試驗(yàn)機(jī)(見圖2(b))進(jìn)行Ⅰ型層間斷裂韌性力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)試樣使用加載鉸鏈固定,在恒定室溫下以1 mm/min的恒定速率施加載荷。用Trape X數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄層合板試樣的載荷-位移、應(yīng)力-應(yīng)變等曲線和力學(xué)參量。試驗(yàn)過程中設(shè)置一臺(tái)高光學(xué)變焦顯微攝像(Dino-Lite digital)聚焦于層合板試樣的邊緣,用于記錄層合板損傷中裂紋的萌生與擴(kuò)展,如圖2(a)所示;并在層合板試樣上表面設(shè)置了2個(gè)聲發(fā)射傳感器,如圖2(c)所示。2個(gè)傳感器的共振頻率均為125 kHz,最佳工作頻率范圍分別為100～1 000 kHz和100～900 kHz。

圖2 DCB測(cè)試裝置和AE數(shù)據(jù)采集裝置

根據(jù)復(fù)合材料層合板分層閾值的相關(guān)研究,將門檻閾值設(shè)置為35 dB。前放增益選擇為40 dB,試驗(yàn)采樣頻率為1 MHz。時(shí)間參數(shù)根據(jù)聲源傳播衰減慢及激發(fā)聲源少的特點(diǎn),設(shè)置峰值定義時(shí)間(PDT)低于撞擊定義時(shí)間(HDT)及撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)。具體系統(tǒng)配置參數(shù)如表1所示。

表1 聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集裝置參數(shù)設(shè)置

2 能量釋放率

理想內(nèi)嵌雙懸臂梁(DCB)的靜態(tài)應(yīng)變能釋放率理論表達(dá)式如下:

(1)

式中,P為加載載荷,N;δ為加載位移,mm;b為試件寬度,mm;a為試件分層長(zhǎng)度,mm。

DCB測(cè)試試件形狀及尺寸如圖3所示。由于實(shí)際試驗(yàn)時(shí)懸臂梁模型的柔度不夠準(zhǔn)確,因此表達(dá)式(1)會(huì)高估GIc值。HASHEMI等[13-16]考慮了裂紋尖端處的復(fù)雜變形,提出了一種等效裂紋長(zhǎng)度的理論,即修正梁理論(Modified Beam Theory,MBT)。

圖3 DCB測(cè)試試件的幾何形狀及尺寸

aeff=a+|Δ|

(2)

式中,aeff為等效裂紋長(zhǎng)度,mm;|Δ|為裂紋長(zhǎng)度修正值,mm。

修正梁理論將DCB視作略長(zhǎng)的分層a+|Δ|,其中Δ可以通過試驗(yàn)過程中分層長(zhǎng)度a的柔度立方根C1/3進(jìn)行擬合,如圖4所示。

圖4 修正梁理論計(jì)算方法

柔度C是加載點(diǎn)位移與施加載荷δ/P的比值,ASTM/D5528標(biāo)準(zhǔn)中引入?yún)?shù)F來說明隨裂紋長(zhǎng)度a的增大所導(dǎo)致的位移效應(yīng)的變化:

(3)

其中:

t=h/4+hp

(4)

式中,t為加載鉸鏈到層合板中心線的距離;h為試件的厚度;hp為加載鉸鏈厚度。

將式(2)和修正系數(shù)F代入式(1)可得:

(5)

3 結(jié)果與討論

3.1 多向GFRP層合板分層損傷的能量釋放率

根據(jù)式(5)分別得到不同界面纖維取向GFRP層合板在裂紋萌生與擴(kuò)展過程中的能量釋放率,如表2、表3所示。圖5示出不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率曲線?？梢钥闯?隨著裂紋擴(kuò)展,能量釋放率R曲線呈現(xiàn)3個(gè)階段:第1階段能量釋放率于分層起裂后呈單調(diào)遞增;第2階段在分層擴(kuò)展達(dá)到一定程度后,逐漸趨于穩(wěn)定;第3階段時(shí)能量釋放率呈下降趨勢(shì)。同時(shí),隨著復(fù)合材料層合板分層裂紋的萌生和擴(kuò)展,不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率呈上升趨勢(shì)和阻力型斷裂行為。裂紋擴(kuò)展所導(dǎo)致的有效分層延伸分別為1.26±0.013,0.53±0.013,0.05±0.010,0.28±0.030 mm。加載在達(dá)到最大載荷(Pmax)后,分層裂紋擴(kuò)展從緩慢穩(wěn)定的延伸,轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱忧把赝蝗幌蚯疤S前進(jìn),甚至延伸到其他層間,導(dǎo)致載荷逐漸下降。最高點(diǎn)位移分別為6.107±0.42,5.060±1.09,5.570±0.53,7.410±0.71 mm,此時(shí)分層裂紋擴(kuò)展逐漸趨于穩(wěn)定,如圖5所示。此外,快速分層裂紋擴(kuò)展會(huì)在層合板和斷裂形態(tài)中引入動(dòng)態(tài)效應(yīng),在不同界面纖維取向GFRP層合板分層裂紋延伸至第一增量階段,即受載最高點(diǎn)時(shí),會(huì)出現(xiàn)裂紋跳躍現(xiàn)象。從圖5還可以看出,第1階段不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率存在一個(gè)先上升、后下降的趨勢(shì)。

表2 不同界面纖維取向GFRP層合板的參數(shù)

表3 不同階段不同界面纖維取向GFRP層合板的參數(shù)

圖5 不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率曲線

圖6示出不同界面纖維取向GFRP層合板載荷隨位移和裂紋長(zhǎng)度的變化曲線。由于層合板預(yù)制裂紋插入物的原因,不同界面纖維取向GFRP層合板的拉伸載荷-開口位移均在載荷上升階段呈線性關(guān)系;在達(dá)到受載最高點(diǎn)后,曲線呈突然下降的趨勢(shì),即非線性關(guān)系。除UD取向?qū)雍习逋?30°,45°和60°取向?qū)雍习寰谑茌d最高點(diǎn)具有不同程度的曲線波動(dòng),其中30°和45°取向?qū)雍习宓淖枇π蛿嗔熏F(xiàn)象更為嚴(yán)重。該現(xiàn)象主要是由于內(nèi)置纖維取向引發(fā)的纖維橋聯(lián),以及在層間引發(fā)分層的裂紋所導(dǎo)致,因此需要從聲發(fā)射信號(hào)和顯微可視化角度進(jìn)一步分析。

圖6 不同界面纖維取向GFRP層合板載荷隨位移和

3.2 多向GFRP層合板分層損傷的聲發(fā)射演化分析

不同界面纖維取向GFRP層合板的載荷、累積聲發(fā)射能量和累積計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化曲線,如圖7所示。載荷的每一次突變都與伴隨著分層裂紋突然擴(kuò)展所導(dǎo)致的聲發(fā)射能量增大有關(guān),累積聲發(fā)射能量和累積計(jì)數(shù)的變化趨勢(shì)和速率基本相同,該現(xiàn)象可以從圖8中看出,不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率在一定時(shí)間范圍內(nèi)趨勢(shì)相似,當(dāng)分層裂紋擴(kuò)展至一定程度時(shí),能量釋放率呈下降趨勢(shì),從而導(dǎo)致聲發(fā)射累積能量和計(jì)數(shù)的急劇增長(zhǎng)。

圖7 不同界面纖維取向GFRP層合板的載荷、累積AE能量和累積計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

從圖7、圖8中還可以看出,分層裂紋擴(kuò)展與時(shí)間呈線性關(guān)系。最大載荷下,能量釋放率增加,但超過最大載荷時(shí),能量釋放率略有下降。能量釋放率的降低與圖6中載荷的下降有關(guān),載荷的下降伴隨著突然延伸和停止的分層裂紋擴(kuò)展過程。盡管聲發(fā)射累積能量和累積計(jì)數(shù)對(duì)總體趨勢(shì)大致相同,但不同界面纖維取向GFRP層合板在分層裂紋擴(kuò)展至一定程度時(shí)曲線波動(dòng)的斜率有所差別。從圖7可以看出,UD取向?qū)雍习宓穆暟l(fā)射累積能量和累積計(jì)數(shù)曲線較為平滑,只經(jīng)歷了一次波動(dòng),累積聲發(fā)射能量和累積計(jì)數(shù)隨穩(wěn)態(tài)分層裂紋擴(kuò)展的變化而變化;30°,45°和60°取向?qū)雍习宓哪芰酷尫怕?、聲發(fā)射累積能量和累積計(jì)數(shù)曲線的多級(jí)階梯現(xiàn)象較為明顯。隨著界面間纖維取向的增加,不同損傷機(jī)制發(fā)生的次數(shù)也隨之減少,分層擴(kuò)展所產(chǎn)生的斷裂能隨著界面纖維角度的增加而減小,如圖8中能量釋放率曲線所示。該現(xiàn)象可以通過不同界面纖維取向GFRP層合板的損傷機(jī)理及AE特性的演化進(jìn)行分析。

圖9為UD界面纖維取向GFRP層合板的損傷機(jī)理及AE特性的演化分析,其分層界面損傷機(jī)制集中在大量單纖維被拔出(纖維基體脫粘)和基體開裂事件,分層裂紋沿預(yù)制裂紋的鋪設(shè)層緩慢擴(kuò)展。隨拉伸載荷的增加,纖維-基體脫粘信號(hào)逐漸高于基體開裂信號(hào),在纖維斷裂階段出現(xiàn)大量信號(hào)。

圖9 UD界面纖維取向GFRP層合板的損傷機(jī)理及

30°取向?qū)雍习宓膿p傷機(jī)制集中在基體開裂和纖維斷裂事件,見圖10。聲發(fā)射能量和上升時(shí)間隨峰值頻率的變化明顯高于UD取向?qū)雍习?隨著拉伸載荷增加,峰值頻率在50～200 kHz基體開裂事件區(qū)間出現(xiàn)4 000～5 000 mv·ms的聲發(fā)射能量。從圖10顯微界面可看出,在分層裂紋擴(kuò)展至59 mm處時(shí),出現(xiàn)脫粘纖維束和斷裂纖維。

圖10 30°界面纖維取向GFRP層合板的損傷機(jī)理及

從圖11的顯微界面可以看出,45°取向?qū)雍习宓氖问接卸喾N損傷機(jī)制,隨著層合板的分層擴(kuò)展,纖維呈束狀開裂和脫粘。在失穩(wěn)失效形式下,聲發(fā)射產(chǎn)生了大量分布范圍廣泛的信號(hào),在50～200 kHz基體開裂階段出現(xiàn)了高達(dá)5 000～6 000 mv·ms的聲發(fā)射能量。

圖11 45°界面纖維取向GFRP層合板的損傷機(jī)理及

60°取向?qū)雍习宓穆暟l(fā)射幅值、能量和上升時(shí)間隨峰值頻率的變化如圖12所示?？梢钥闯?聲發(fā)射能量在3 000～4 000 mv·ms區(qū)間,低于30°和45°取向?qū)雍习?高于UD取向?qū)雍习?聲發(fā)射上升時(shí)間為4種界面纖維取向中最高。從顯微界面可以看出,60°取向?qū)雍习宓娘@微-基體脫粘和纖維拔出損傷模式出現(xiàn)較多。

3.3 多向GFRP層合板能量釋放率聲發(fā)射量化表征

為了更確切地判斷分層裂紋長(zhǎng)度的準(zhǔn)確性,將聲發(fā)射參量引入分層起始的表達(dá)式中,對(duì)聲發(fā)射參量進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合。發(fā)現(xiàn)不同界面纖維取向GFRP層合板的聲發(fā)射累積能量和累積計(jì)數(shù)與分層裂紋之間有明顯的線性關(guān)系,如圖13、圖14所示。從圖13可以看出,聲發(fā)射累積能量的線性關(guān)系在分層初始階段具有較高的斜率,這是因?yàn)轭A(yù)制裂紋損傷引起的基體開裂會(huì)誘發(fā)分層,而基體開裂階段具有較低的能量釋放率(見圖5)。根據(jù)裂紋尖端的顯微可視化表明,累積聲發(fā)射能量與分層裂紋擴(kuò)展之間的線性關(guān)系,對(duì)于預(yù)測(cè)損傷的起始并不完全準(zhǔn)確有效。

圖14 不同界面纖維取向GFRP層合板聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)與

聲發(fā)射計(jì)數(shù)可以有效判斷纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板是何時(shí)具有較大計(jì)數(shù)的聲學(xué)事件,可有效預(yù)測(cè)分層的起始,故本文選擇對(duì)聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。從圖14可看出,聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)具有最高R2的線性分布,不同界面纖維取向GFRP層合板的聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)線性關(guān)系在分層起始具有有效性,隨著分層裂紋的擴(kuò)展,聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)斜率有所增加或降低。因此,可利用聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)和累積能量對(duì)分層起始階段進(jìn)行預(yù)測(cè)。

由此可以將聲發(fā)射參量表達(dá)式定義為:

aCL=kη+c

(6)

aEL=kΔAE+c

(7)

式中,aCL為經(jīng)聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)修正的分層裂紋長(zhǎng)度,mm;k為材料特性和載荷條件相關(guān)的系數(shù);η為聲發(fā)射累積計(jì)數(shù);c為材料特性和載荷條件相關(guān)的系數(shù);aEL為經(jīng)聲發(fā)射累積能量修正的裂紋長(zhǎng)度;ΔAE為聲發(fā)射累積能量。

將計(jì)算得到聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)η和累積能量ΔAE分別與顯微可視化法(VIS)測(cè)得的分層裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度進(jìn)行線性擬合,求得aCL與aEL。利用求得的aCL與aEL代替式(5)中的分層裂紋長(zhǎng)度a,得到修正后的分層裂紋擴(kuò)展曲線見圖15、圖16。

圖15 不同界面纖維取向GFRP層合板的aCL預(yù)測(cè)及

圖16 不同界面纖維取向GFRP層合板的aEL預(yù)測(cè)及

從圖15、圖16中可以看出,不同界面纖維取向GFRP層合板的aCL與aEL修正后分層裂紋擴(kuò)展曲線與VIS分層裂紋擴(kuò)展曲線整體趨勢(shì)一致。經(jīng)線性修正后的aCL與aEL曲線可以更好地預(yù)測(cè)分層的起始階段。從圖中還可以看出,宏觀裂紋通常發(fā)生在微裂紋擴(kuò)展之后,因此,通過聲發(fā)射參量表征微裂紋數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)分層起始點(diǎn)確切時(shí)間是非常有必要的。

用不同界面纖維取向GFRP層合板的aCL與aEL代替式(5)中的a,得到修正后能量釋放率曲線,如圖17、圖18所示。從圖17可以看出,經(jīng)aCL修正后的不同界面纖維取向GFRP層合板的GICL(修正的能量釋放率)與GIc趨勢(shì)具有一致性,基于聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)所得GICL值比GIc更早地預(yù)測(cè)到了分層裂紋的起始。從顯微可視化界面可以觀測(cè)到分層擴(kuò)展裂紋會(huì)突然擴(kuò)展,纖維斷裂后裂紋張開,導(dǎo)致目測(cè)顯微界面的裂紋尺度不夠精確。但聲發(fā)射參量是實(shí)時(shí)采集的,到達(dá)時(shí)間以μs為單位,因此修正后的GICL會(huì)與試驗(yàn)所得GIc有較小的差異。

(a)UD (b)30°

(a)UD (b)30°

從圖18中可以看出,經(jīng)aEL修正后所得GIEL(修正的能量釋放率)與GIc的總體趨勢(shì)具有一致性。與GICL曲線情況基本相同,局部放大的位置(683,1 462,902,2 369 s)與試驗(yàn)所得GIc值具有較小偏差。

分析結(jié)果表明,聲發(fā)射參量所修正的能量釋放率與ASTM/D5528標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)所得能量釋放率在趨勢(shì)上基本一致,可以更好地預(yù)測(cè)分層起始的裂紋擴(kuò)展值?？赏ㄟ^聲發(fā)射采集系統(tǒng)進(jìn)行分層裂紋擴(kuò)展值的計(jì)算,記錄層合板Ⅰ型測(cè)試過程中聲學(xué)事件的發(fā)生時(shí)間及聲發(fā)射信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選后,將式(6)和式(7)代入式(5)中進(jìn)行計(jì)算,對(duì)分層起始進(jìn)行時(shí)間預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

(1)能量釋放率可以有效預(yù)測(cè)分層的起始階段,不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率隨裂紋長(zhǎng)度的變化具有阻力型斷裂趨勢(shì)。UD取向?qū)雍习宓哪芰酷尫怕试谌我怆A段具有最高能量釋放率。

(2)隨著GFRP層合板界面纖維取向的增大,聲發(fā)射累積能量和累積計(jì)數(shù)的波動(dòng)增大,產(chǎn)生多級(jí)階梯現(xiàn)象,層合板分層擴(kuò)展速率增大。層合板的損傷機(jī)制隨界面纖維取向的增加而減小。

(3)不同界面纖維取向GFRP層合板的聲發(fā)射累積能量和累積計(jì)數(shù)與分層裂紋之間有明顯的線性關(guān)系。利用聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)和累積能量可對(duì)層合板分層起始階段進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(4)建立了聲發(fā)射累積能量和累積計(jì)數(shù)與分層裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,經(jīng)聲發(fā)射特征參數(shù)修正的aCL和aEL所得能量釋放率曲線與GIc整體趨勢(shì)一致,提高了預(yù)測(cè)分層起始的靈敏度。通過聲發(fā)射實(shí)際采集系統(tǒng)對(duì)分層擴(kuò)展信號(hào)進(jìn)行篩選,從而實(shí)現(xiàn)損傷識(shí)別的監(jiān)測(cè)。