纤维金属帽形结构低速冲击力学性能研究

张 鑫，扈长智，刘皓林，侯文彬

(大连理工大学 汽车工程学院，辽宁 大连 116024)

0 引言

纤维金属层板是一种由金属合金与纤维/树脂复合材料采用胶接技术交替层压制成的超混杂复合材料，具有高比强度、比刚度及优良的耐腐蚀性和耐疲劳特性等优点，被广泛用于航空航天等领域[1]。纤维金属层板综合了传统纤维复合材料和金属合金材料的优点，克服了单一复合材料和金属材料的不足[2]。纤维金属层板具有良好的抗冲击性能、阻尼性能和轻量化效果，发展前景广阔，具有较高的研究价值。

目前，研究纤维金属层板的低速冲击性能主要是通过落锤冲击实验和仿真模拟的方法。胡海威[3]对纤维金属层板低速冲击的力学行为和损伤机理进行分析，并研究尺寸形状、铺层方式、边界条件、冲击能量等参数对其抗冲击性能的影响，在数值仿真中为了提高模型的计算速率并未考虑玻璃纤维真实应变率效应，只是对材料的强度适当地提高，满足在一定范围内的仿真需求；陈勇等[4-5]建立了考虑塑性应变、压缩刚度衰减特征和纤维拉伸断裂损伤的复合材料连续介质损伤力学模型，并研究低温处理对于玻璃纤维增强铝合金层板低速冲击力学特性的影响，得出低温可提高其抗冲击性能的结论；Nakatani等[6]研究玻璃纤维金属层板的低速冲击问题，结果表明冲击后在金属层板完好的情况下玻璃纤维芯层会出现小的分层；涂文琼等[7]同样研究纤维金属层板在低速冲击载荷作用下的抗分层性能，结果表明纤维金属层板比纯纤维增强的复合材料层板吸能更多，当金属层布置在层合板表层时，结构的抗分层能力更为优秀。马玉娥等[8]对玻璃纤维金属层板进行了落锤试验，分析纤维金属板的动态冲击响应并根据各能量下的损伤情况总结其损伤规律。蔡艳等[9]对纤维金属层板低速冲击进行研究，结果表明测量点的位移和最大塑性变形随着冲击能量的增加逐渐增大，在冲击过程中玻璃纤维先发生破坏，然后铝合金层出现裂纹。

在铝合金、碳纤维和纤维金属层板的高速冲击研究中主要是采用弹道实验和数值模拟的方式。康欣然[10]考虑并研究铺层形式、铝合金比重、构型以及冲击物尺寸对纤维金属层板抗冲击性能的影响；许明明[11]研究了3种弹头冲击侵砌下碳纤维织物和碳纤维增强铝合金层板的变形过程、失效模式和弹道防护性能，同时考虑应变率对于材料力学性能的影响；朱艳荣[12]在碳纤维增强复合材料本构模型中增加应变率修正公式，使材料参数变成随应变率变化的动态参数，并通过弹道实验对提出的模型进行了验证；黄桥平等[13]建立考虑应变率效应的复合材料粘弹性本构模型并从层合板抗冲击性能的角度提出有效冲击时间的概念；叶拓等[14]利用实验研究不同应变率和不同温度对于铝合金动态力学行为的影响；吕俊智[15]研究铝合金层状复合材料流动应力受应变率效应的影响并归纳出动态力学特性变化规律、动态损伤本构模型的影响规律和裂纹形成与扩展规律。

在低速冲击实验的研究中，主要是采用平板结构，考虑边界条件、低温处理、铺层形式、结构尺寸和冲击物的大小等因素对于冲击性能的影响，并研究抗分层性能的影响因素以及损伤破坏情况，很少考虑材料的应变率效应，没有深入分析应变率对于材料性能的影响，使得数值仿真的结果十分受限，并且进行低速冲击实验的结构大多采用平板结构，对于其它结构缺乏研究，对于现实生活中应用于各种抗冲击结构中的指导性不强。而在高速冲击实验的研究中则充分考虑了材料的应变率效应，通过建立新的本构模型和修正公式来研究复合材料的应变率效应，通过分析实验结果来研究金属材料的应变率效应，研究得更为深入和细致，这对于低速冲击实验的研究具有借鉴意义。

因此，在低速冲击实验的研究中，采用纤维金属混合材料帽形结构进行实验；通过对碳纤维和铝合金动静态参数的测定来分析材料的应变率效应，探讨材料应变率与性能参数之间的关系；将动态参数应用于帽形结构低速冲击实验的仿真中，验证参数的准确性。

1 材料力学性能参数的测定

帽形结构所用到的材料为热固性编织型碳纤维增强复合材料和6061-T6铝合金，利用落锤机和夹具测定碳纤维的拉伸、剪切、压缩力学性能参数和铝合金的拉伸性能参数。进行动态参数的测定所用样件尺寸如图1所示。左图为拉伸和剪切样件的尺寸，碳纤维拉伸和剪切实验采用2 mm厚的样件，铝合金拉伸实验采用1 mm厚的样件；右图为碳纤维压缩实验样件尺寸，厚度为6 mm；所有样件整体尺寸均为63 mm×19 mm。图2为实验样件实物图，从左到右依次为碳纤维拉伸、剪切、压缩样件和铝合金拉伸样件。

图1 动态参数测定实验样件尺寸

图2 动态参数测定实验样件实物图

动态力学性能测试实验由落锤机和所设计的夹具完成，图3所示为落锤试验机和实验场景，Liu等[16]对于拉伸实验和压缩实验所用夹具的原理进行了介绍，如图4所示。左图为动态拉伸实验所用夹具原理图，实验样件的上端与固定框架连接在一起，下端与移动框架连接在一起，弹性块承受来自落锤的冲击力使移动框架向下移动，从而实现对实验样件的拉伸；右图为动态压缩实验所用夹具原理图，实验样件直接与底座相连，通过落锤冲击弹性块直接实现对样件的压缩。为平衡受力，在拉伸和剪切实验中采用聚氨酯橡胶弹性块，在压缩实验中采用胶乳橡胶弹性块。

图3 动态实验工作场景

图4 材料动态参数测试夹具原理图

实验时上下力传感器分别通过信号放大器与采集卡相连，采集卡将力的信息传输到电脑上，高速摄像机采集预先在表面喷涂好散斑的试验样件照片信息，经过DIC处理可获得应变信息，最终得到各自的应力应变曲线，斜率即为弹性模量。通过式(1)和(2)来计算碳纤维拉伸、剪切强度。碳纤维压缩强度和铝合金拉伸强度计算方法与碳纤维拉伸强度相同，由于铝合金没有明显的屈服平台，所以以产生0.2%的变形处的应力来得到屈服强度。

(1)

式中：σt为拉伸强度，MPa；Ftmax为最大拉伸载荷，N；A为拉伸样件的横截面积，mm2。

(2)

式中：τ12为面内剪切应力，MPa；F12max为剪应变不大于5%处的最大载荷，N；A为剪切样件的横截面积，mm2。

碳纤维和铝合金的静态参数通过拉伸机测得，碳纤维的静态参数采用已经测得的数据，铝合金根据ASTM标准设计拉伸实验样件，样件的具体尺寸、实物图及拉伸后的断裂情况如图5所示，样件厚度为2.5 mm，万能拉伸试验机速度设为2 mm/min。拉伸实验机系统可以实现载荷的施加与载荷位移曲线的记录，得到的载荷位移曲线如图6所示。

图5 铝合金静态拉伸实验样件及尺寸

图6 铝合金静态拉伸载荷位移曲线

实验样件提前喷涂散斑采用DIC技术测得应变信息，应变随时间变化曲线如图7所示，参数计算方法与动态参数相同。

图7 铝合金静态拉伸应变时间曲线

对碳纤维和铝合金的动静态参数进行汇总，如表1所示。碳纤维的拉伸强度、压缩强度、剪切强度均有所减弱，拉伸弹性模量、压缩弹性模量变化不大，面内剪切弹性模量大幅度的减弱；铝合金的抗拉强度和屈服强度有所增加，而弹性模量、泊松比、拉伸失效应变变化不大。总体来看，碳纤维和铝合金都具有应变率效应。

表1 材料静态参数和动态参数比较

2 材料的应变率效应

应变率是材料的应变对于时间的导数，应变率效应是指材料的力学性能会随应变率的大小发生变化的现象。文献[17]将线弹性模型与威布尔函数相结合，通过对比碳纤维增强铝合金层合板在不同拉伸应变率下的力学响应，得到碳纤维增强铝合金层合板是应变率敏感材料的结论，并给出了拉伸强度和断裂应变随应变率的变化关系。

(3)

(4)

碳纤维的材料参数与对应的应变率之间的关系：

铝合金的拉伸性能参数与拉伸应变率的关系:

由于碳纤维和铝合金的强度受应变率的影响较大，而材料的强度由最大应力决定，所以进一步探究材料的应变率对于材料应力的影响，深入研究材料的应变率效应。分别用指数函数、三次多项式、幂函数拟合应力与应变率之间的关系，对于碳纤维拉伸、剪切、压缩应力以及铝合金的拉伸应力与相对应的应变率之间的关系拟合的结果如图8、9所示。

图8 碳纤维应力随应变率变化曲线

图9 铝合金拉伸应力随应变率变化曲线

拟合后的三次多项式依次表示为：

σ<250时

250≤σ<450时

从图中可以直观地看出，在低应变率范围之内，碳纤维的拉伸应力和剪切应力随着应变率的增加而增加，而压缩应力则随着应变率的增加而减小；铝合金的拉伸应力在应力值较低的范围之内随着应变率的增加而增加，在应力值较高的范围之内随着应变率的增加而减小。在3种函数对于应力和应变率之间的关系进行拟合的结果中可以得出，三次多项式具有较好的拟合效果，并且拟合优度均达到了0.9以上，这说明在一定范围之内，三次多项式可以很好的表示材料应力与应变率之间的关系。

在应力与应变率的拟合三次多项式关系中能够清晰的体现出应力变化的快慢，为进一步分析应变率对于强度影响的内在机制奠定良好的基础。碳纤维的拉伸应力随着拉伸应变率的增加变化速度越来越快，应变率效应加速了碳纤维拉伸应力达到极限值的过程，从而使得最大拉伸强度降低，剪切强度表现出了与拉伸强度相同的规律，这与实验测得的动态拉伸强度和剪切强度有所降低的参数测量结果一致；而压缩应变率整体变化范围比较小，随着压缩应变率的增加，压缩应力降低的速度没有明显的变化，仅在某一范围内出现了加速的趋势，压缩应力与压缩应变率之间呈现出接近线性的关系，应变率效应对于压缩强度的影响不大，动态参数较静态参数的降低也有所减少；在应变率对于铝合金拉伸强度的影响中则表现出了更为复杂的影响机制，在某一个应力值的前后表现出了随着应变率增大先增加后降低的趋势，并且这一应力值接近于准静态情况下测得的拉伸强度，在两段不同的变化范围内应变率的增加都加快了变化的速度，这说明铝合金的拉伸应力在接近这一特定值时受应变率的影响较大，因而远离这一特定值时放缓了应力达到极限值的速度，进而强度值增大。

3 帽形结构低速冲击实验与仿真

3.1 帽形结构制备与低速冲击实验

进行落锤冲击所需的实验样件通过高温热压成型制备，选用的碳纤维和铝合金与进行参数测定的材料相同，先将铝合金在模具上预压出上层和下层帽形结构，再将4层碳纤维与预压的铝合金按照一定堆叠顺序整体放入热压机中一体成型，最后将整个模具放在模压成型机中加热加压成型，所选用压力和温度与制备碳纤维参数测试样件时相同，固化结束后停止机器工作，自然冷却。帽形结构上层和下层是0.5 mm厚的铝合金，中间是1 mm厚的碳纤维，碳纤维均采用0°铺层，共2 mm的厚度，帽形结构的截面尺寸如图10所示。

图10 帽形结构截面尺寸图

实验时，帽形结构采用两端固支的方式固定在夹具上，中间预留出245 mm的工作长度，锤头上的力传感器通过信号放大器与采集卡相连，将锤头受力信息传入到电脑中。图11展示了落锤冲击实验准备场景，包含信号采集系统和样件固定方式。

图11 落锤冲击实验信号采集系统和样件固定方式

锤头加上配重的质量一共为26 kg，实验过程中将锤头分别升至204、319、459 mm的高度，获得2、2.5、3 m/s的初速度，每个速度下进行了3次冲击实验，对3次实验的结果取平均值，帽形结构在不同的冲击速度下所受的冲击力随时间的变化曲线如图12所示。

图12 不同冲击速度下的力随时间变化曲线

3.2 帽形结构低速冲击仿真分析

为验证动态参数应用于动态冲击实验仿真中的有效性，分别使用2种参数对落锤冲击实验的结果进行仿真模拟。首先建立几何模型，再将几何模型导入到Hypermesh中进行前处理，固定两端节点的自由度，在受力较集中的区域细化网格，保证计算精度。落锤冲击实验仿真模型如图13所示。

图13 落锤冲击实验仿真模型

在材料的选择上，碳纤维采用LS-DYNA中的MAT58号材料进行模拟，根据破坏表面的类型，该材料可用于模拟具有单向层、完整层压板和机织物的复合材料，失效准则以Hashin失效准则为基础，可以有效地判断复合材料的拉伸、压缩、剪切失效，其中的渐进失效参数需要不断地尝试、对标得出，如表2所示。

表2 碳纤维渐进失效参数

铝合金采用MAT24号材料来进行模拟，由于材料在弹性阶段的应力应变曲线相同，所以弹性阶段用弹性模量表示，在应力应变曲线输入中仅需输入塑性阶段应力应变曲线。纤维层和金属层通过热压成型高温固化相连接，2种材料中间的截面则是通过定义接触类型*CONTACT_AUTOMOTIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBRACK来进行模拟，考虑张开型、滑开型和断裂型3种失效模式，所用到的参数如表3所示。

表3 胶接层材料参数

采用动态参数和静态参数分别对3个冲击速度的实验进行了仿真，并与实验结果进行比较。帽形结构最终的破坏情况在仿真中的结果如图14所示，在2 m/s和2.5 m/s的冲击速度下，帽形结构未发生断裂，只是在受力区域出现了凹陷，且冲击速度越大，凹陷的范围越大，在3 m/s的冲击速度下出现了断裂，与实验结果一致。力随时间变化曲线如图15所示。与实验结果相比，动态参数仿真结果在峰值力上略低于真实值，在有效冲击时间上略大于真实时间，这可能是实验误差以及仿真条件过于理想化等因素造成的；动态参数与静态参数仿真结果相比，更加接近真实地动态冲击过程，在误差允许的范围内可以有效模拟动态冲击实验。

图14 帽形结构低速冲击实验结果

图15 帽形结构低速冲击力随时间变化曲线

3.3 帽形结构低速冲击实验分析

对于不同速度下的冲击实验进行分析，探究纤维金属材料帽形结构冲击速度对于帽形结构抗冲击性能的影响，对所得到的力随时间的变化曲线进行处理，由冲击力随时间变化曲线根据牛顿第二定律得到加速度对时间变化曲线，再按照式(5)进行积分运算得到速度随时间变化曲线，再按照式(6)进行积分运算得到位移随时间变化曲线，按照式(7)计算吸收的能量。不同冲击速度下采用纤维金属帽形结构的吸收能量随时间变化曲线如图16所示，相关性能参数见表4。

表4 不同冲击速度下帽形结构相关性能参数

图16 不同冲击速度下吸收能量随时间变化曲线

(5)

(6)

(7)

通过分析可知，随着冲击速度的增加，整个冲击过程所用时间越短，达到的有效位移越小，吸收的能量越多，达到的峰值力越高，比吸能增加，吸能性能指标降低。由此可见，冲击速度越快，对于帽形结构造成破坏的速度越快，产生的塑性变形越大直至发生断裂，结构会承受更大的冲击载荷，进而吸能性降低，这与现实生活中速度越快的碰撞会造成越大程度地破坏是一致的。

在2 m/s的冲击速度下，不改变帽形结构的尺寸，对铝合金、碳纤维、碳纤维铝合金3种不同材料的帽形结构进行了低速冲击仿真，仿真结果的受力曲线如图17所示，相关性能参数见表5。铝合金材料的帽形结构，产生了较小的变形，可以承受较高的冲击载荷和吸收更多的能量，但是质量较高，冲击过程中破坏速度较快，比吸能较低；碳纤维具有较轻的质量，比吸能较高，冲击过程破坏时间较短，但是发生较大的变形，承受的冲击载荷较低，吸能效果较差；纤维金属材料不仅具有较好的吸能性能，而且具有较高的比吸能，因而可以更好地应用于对吸能性和轻量化要求高的结构中。

图17 3种材料低速冲击仿真力随时间变化曲线(V0=2 m/s)

表5 不同材料帽形结构相关性能参数

4 结论

1)碳纤维和铝合金2种材料在中低速应变率下都具有应变率效应，不同材料力学性能受应变率的影响不同。通过对碳纤维和铝合金动静态参数的对比分析，结果表明应变率主要通过影响材料的强度来影响材料性能；进一步分析应变率影响材料强度的机制，碳纤维和铝合金表现出了不同的规律，三次多项式可以很好地拟合应变率与应力之间的关系，应变率主要通过影响应力的变化速率来影响材料的强度；对纤维金属材料帽形结构的低速冲击实验仿真分析发现，动态参数具有较好的拟合效果，验证了考虑材料应变率效应的必要性。

2)纤维金属材料具有较好的吸能效果和轻量化效果。纤维金属材料在抗冲击性能研究中，在不同的冲击速度下都表现出了较好的吸能效果；在与碳纤维和铝合金的比较中同样具有优良的抗冲击性能，因而纤维金属材料具有十分重要的研究价值。