黄　兴

(同济大学 航空航天与力学学院，上海 200092)



含棉纤维冰的抗压性能试验

黄兴

(同济大学 航空航天与力学学院，上海 200092)

利用材料万能试验机，对棉纤维质量分数分别为0%、3%、6%、9%和12%的冰试样进行了应变率为10-3/s～10-1/s的单轴压缩试验。得到了一系列的应力应变曲线，研究了应变率和棉纤维质量分数对冰力学性能的影响。试验结果表明：冰的抗压强度具有明显的应变率相关性，添加棉纤维可以提高冰的抗压强度和韧性。在10-3/s应变率下，棉纤维质量分数超过6%时，冰的抗压强度随棉纤维质量分数增大而减小；在10-1/s应变率下，冰的抗压强度随棉纤维质量分数的增大而增大。

冰；棉纤维；单轴压缩试验；应变率；应力应变

0　引言

航空飞行器在飞行时会遭遇各种恶劣天气，其中，冰雹粒子的高速冲击严重威胁近地飞行器的安全。飞行器从尚未起飞到对流层、平流层及其他大气分布层的飞行过程中，都面临着冰雹冲击的威胁。近年来，冰雹损伤飞机事件频发[1-3]。冰雹灾害来势猛、冲击强度大，以不同的形状、大小和速度撞击飞行器，尤其对迎风面积大的风挡处、机头鼻锥、机翼前缘、发动机进气口、油箱、雷达整流罩和驾驶舱门等处的破坏最严重，甚至会造成灾难性事故的发生[1]。研究冰雹冲击航空飞行器，主要有试验和数值模拟两种方法。冰雹高速冲击试验可以直接观察冰雹冲击过程和靶的失效模式，但是试验过程复杂、耗时较长，并且成本很高。有限元数值模拟方法能够在一定程度上再现航天器受冰雹冲击的损伤场景，通过分析冲击结果，可以降低试验成本，但有效的模拟结果需要提供准确的冰雹材料性能参数。

由于天然冰雹结构外形复杂，且获取困难，试验过程中，通常采用人工模拟冰雹来代替天然冰雹。不少学者对冰的力学性能进行了研究。文献[4-5]研究了海冰和淡水冰的力学性能，认为冰是一种应变率相关性材料，低应变率状态有延性，高应变率状态呈脆性。文献[6]进行了水库冰的单轴压缩试验，分析了水库冰的抗压强度和应变率、温度的关系。文献[7]研究了多晶冰抗压强度的粒径效应，发现冰的抗压强度与粒径平方根的倒数呈正比例关系，破坏应变随粒径的增大呈线性减小。文献[8]进行了淡水冰的系列单轴抗压试验，同样证实了冰的抗压强度具有应变率相关性，还发现冰的抗压强度具有方向性，晶粒生长方向强度较高。文献[9]在人工冰雹制作标准中提出，可在水中掺入12%(质量分数)的棉纤维，来模拟自然界中冰雹，以获得与其相似的密度和韧性。目前，关于冰的力学性能的研究主要集中在海冰和淡水冰，尚未有含棉纤维冰力学性能的研究报道。

本文利用材料万能试验机对棉纤维质量分数分别为0%、3%、6%、9%和12%的冰试样进行了单轴压缩试验，得到了一系列应力应变曲线，分析了应变率和棉纤维质量分数对冰的力学性能的影响，为航空飞行器冰雹撞击数值模拟提供冰雹材料参数，并为航空飞行器防雹设计提供依据。

1　试验方案

1.1试样制备

冰柱模具上部为圆筒，两端是盖子，采用模头和模身分段设计，容易脱模。圆筒的高度为70 mm，内径为50 mm。模具材料为聚碳酸脂(polycarbonate，PC)，是一种性能优异的通用工程塑料，具有透明性好、硬度高、耐低温和耐磨等特点，适用温度为-40～100 ℃。模具内表面光滑，导热相对较快，易脱模。使用蒸馏水制作冰柱，把蒸馏水倒入模具(制作含棉冰柱时，先把棉纤维称量好提前放入模具)，置于深冷冰箱，温度设置为-2 ℃。因为在凝固点附近结冰，水中会有一个正的温度梯度，凝固过程采取平面式推进，所以不会有枝状晶体把气泡困在中间，能形成比较纯净、均匀的冰柱。等水完全结成冰，把冰柱从模具中取出，两端面经手工仔细刨削，最后在平台玻璃板上研磨平整，保证试样的上下端面平行，且与轴向垂直。试验前，把冰柱试样放置在深冷冰箱(-18 ℃)中储存24 h，以保持冰试样温度的均匀性，自然冰在-15 ℃以下可以进行长期保存与加工，不会引起结晶变化，能够保持自然冰的力学特性[10]。图1为制备好的不同质量分数棉纤维冰柱试样。

图1　不同质量分数棉纤维冰柱试样(棉纤维质量分数依次为0%、3%、6%、9%和12%)

1.2试验步骤

在室温条件下，利用计算机控制的材料万能试验机对冰柱进行匀速加载，试验机上下压头之间的位移由高精度位移传感器检测，上压头的载荷传感器用于测量载荷。在试验前，先把在深冷冰箱(-18 ℃)中储存过的尼龙垫片放置在上下压头，以减少压头和试样的温差对冰柱强度造成的影响。然后，小心放置冰柱试样，尽量使传感器轴线、试验机中心线和冰柱试样的几何轴线重合，以保证加载的均匀性与轴线性。调节上压头，使其与冰柱上表面紧密接触。启动试验机，设置试验参数，调节加载速率，试验开始。试验机的上压头匀速下降，对冰柱施加轴向压力，试样破坏时，试验自动完成，并自动保存试验数据，然后进行数据处理。试样两端的-18 ℃储存过的隔热尼龙垫片，每次试验都要更换一次。

2　结果和分析

2.1不同质量分数棉纤维冰的应力应变曲线

冰柱单轴压缩试验的应变率为10-3/s ～10-1/s，棉纤维质量分数分别为0%、3%、6%、9%和12%。由于纯冰试样(棉纤维质量分数为0%)试验数据离散性较大，每组应变率进行了不少于5组重复性试验。棉纤维冰试样(棉纤维质量分数分别为3%、6%、9%和12%)数据重复性较好，每组应变率进行了不少于3组重复性试验。选取不同应变率下处于平均水平的试样的应力应变曲线进行分析。

图2给出了不同质量分数棉纤维冰在不同应变率下的应力应变曲线。不同质量分数棉纤维冰的应力应变曲线开始呈线性关系，该段体现了冰柱承载线性变形的线弹性阶段。随着应力继续增大，不同质量分数棉纤维冰的应力应变曲线在不同应变率下的形式不同，含棉纤维冰的应力应变曲线形状发生明显变化。

如图2所示，当应变率为10-3/s时，纯冰(棉纤维质量分数为0%)应力会随着加载的进行而逐渐增大，达到最大应力后，随着加载的持续，应力逐渐减小，试样经历屈服和应变软化阶段，应变进一步增加，应力下降的速度变慢。试样在加载后，表面呈不规则纵向阶梯状，中部有鼓胀现象。这是由于在准静态加载过程中，应力逐渐增大到一定值，冰柱内部的微裂纹开始延伸，随着应力的提高，裂纹逐渐增多，相互扩展和连通，试样破坏。

随着加载速率的提高，在10-2/s和10-1/s应变率下，纯冰应力会迅速增大到一定值后突然下降，试样破坏，失去承载能力，表现出脆性性质。冰柱的破坏没有任何预兆，当达到最大应力后，冰柱突然破坏，纵向劈裂成若干部分，多含有大块碎块，整体被破坏，瞬间失去承载能力。10-2/s应变率下的冰柱劈裂速度慢，伴有细微的声响，裂块之间仍有黏结。10-1/s应变率下，由于加载速度快，冰柱瞬间崩裂，伴有碎冰块从冰柱迸出，并伴有较大声响，碎块体积相对较小。

图2　不同质量分数棉纤维冰的应力应变曲线

不同应变率下含棉纤维冰柱的应力应变曲线形式不同。当应变率为10-3/s时，含棉纤维冰柱的应力应变曲线基本呈现出3个阶段：第1阶段，从开始加载到峰值应力，应力应变关系表现出一个明显的线弹性阶段，应力随应变的增大呈线性增长关系，达到最大；第2阶段，达到屈服应力之后，应力随着应变的增大而减小，试样经历屈服和应变软化阶段；第3阶段，棉纤维之间的气孔孔壁逐渐被压碎，应变逐渐增大，应力随应变基本不发生变化或者仅随应变的增加缓慢增加，在应力应变曲线上表现为比较长的一段屈服平台，此阶段曲线称为材料在变形过程中的平台区。在此应变率下，冰柱在加载后无明显目视可见裂纹，直至加载完毕，冰柱表面都没有明显裂纹，没有明显的破坏现象，表面有微小碎冰片脱落，只表现为纵向缩短，径向鼓胀，产生明显变形，可以一直承载外力。

当应变率为10-2/s时，含棉纤维冰柱应力随应变的增大而增大，直接进入屈服平台区。棉纤维质量分数为3%、6%和9%冰柱的屈服强度值相差不大，但平台值随着棉纤维质量分数的提高而增大。随着载荷增大，试样表面产生细微裂纹，并且逐渐增大，由于棉纤维的黏结作用，阻碍裂纹向冰柱内部扩展，冰柱并没有完全开裂。冰柱整体性没有破坏，可以一直承载外力。

当应变率为10-1/s时，在试验机压头快速移动时，含棉纤维冰柱应力会迅速线性增大到一定值后突然下降，试样失去承载能力，表现出明显的脆性性质。其中，绵纤维质量分数为3%的冰柱为纵向劈裂破坏，绵纤维质量分数为6%、9%和12%的冰柱沿斜45°方向呈剪切破坏，破碎成若干块，碎块之间有棉纤维黏结，破坏后的碎块内部表面平整，裂纹很少。

2.2不同质量分数棉纤维冰的抗压强度

棉纤维质量分数对冰的抗压强度影响很大，表1为含棉纤维冰的抗压强度随应变率变化关系。冰柱的单轴压缩试验数据的离散性很大，这主要是由冰材料本身的脆性导致的，每个试样都是由单独的模具人工制备，很难保证试样的完全一致性。从表1中可以看出：在准静态应变率范围(10-3/s ～10-2/s)内，纯冰的抗压强度随应变率减小而减小，从2.29 MPa降到1.42 MPa，这与文献[11]的结果趋势一致。随后进入中应变率(10-1/s)时，又增大到2.05 MPa，这与文献[12]的试验结果接近。

添加棉纤维可以有效提高冰柱的抗压强度，含棉纤维冰的抗压强度随应变率的增大而增大，表现出明显的应变率正相关性。当应变率为10-3/s，棉纤维质量分数低于6%时，冰柱的抗压强度随棉纤维质量分数提高而增大；棉纤维质量分数高于6%时，冰柱的抗压强度随着棉纤维质量分数的提高而减小。这主要是因为低应变率下，棉纤维黏性效果明显，纤维之间并没有断裂；棉纤维质量分数过高时，棉纤维的柔性表现的更为明显。随着应变率的增大，冰柱发生劈裂破坏或者沿斜45°方向呈剪切破坏，破碎成若干块，碎块之间有棉纤维黏结，部分纤维断裂，冰柱的抗压强度随着棉纤维质量分数的提高而增大。但3%棉纤维冰柱的抗压强度先增大后减小，主要因为其纤维质量分数较低，分布不均，冻结过程中形成的内部气孔较大，这些局部性的影响随着应变率的升高而越来越明显，在中应变率(10-1/s)下，气孔较大且纤维较少的部分首先迅速崩裂导致冰柱破坏，降低了冰柱的抗压强度。

表1　含棉纤维冰的抗压强度随应变率变化关系　MPa

3　结论

(1)添加棉纤维可以有效提高冰柱的强度和韧性，含棉纤维冰柱也具有正应变率相关性。当应变率为10-3/s，棉纤维质量分数低于6%时，冰柱的抗压强度随棉纤维质量分数提高而增大；棉纤维质量分数高于6%时，冰柱的抗压强度随着棉纤维质量分数提高而减小。应变率为10-1/s时，冰柱的抗压强度随着棉纤维质量分数的提高而增大。

(2)应变率为10-3/s含棉纤维冰柱的应力应变曲线形状发生明显变化，可以分为线弹性阶段、屈服软化阶段和平台区3个阶段。

[1]SWIFT J M.Simulated hail ice mechanical properties and failure mechanism at quasi-static strain rates[D].Washington:University of Washington,2013.

[2]Hail damaged aircraft[EB/OL].[2014/11/9].http://www.snopes.com/photos/airplane/haildamage.asp.

[3]一架在空中遭遇冰雹的客机[EB/OL].[2015/8/30].http://www.wokeji.com/tupian/jrtj/201508/t20150201_1534213.shtml.

[4]SCHULSON E M.Brittle failure of ice[J].Engineering fracture mechanics,2001,68(17/18):1839-1887.

[5]SCHULSON E M.The structure and mechanical behavior of ice[J].JOM,1999,51(2):21-27.

[6]ZHANG L,LI Z,JIA Q,et al.Experimental study on uniaxial compressive strength of reservoir ice[J].Transactions of Tianjin university,2012,18(2):112-116.

[7]彭万巍,朱元林,张家懿.多晶冰抗压强度的粒径效应[J].力学与实践,1998,20(4):37-39.

[8]张大长,刘明源,包涛.淡水冰单轴受压力学特性的试验研究[J].工程力学,2011(7):238-244.

[9]US-ASTM.Standard test method for hail impact resistance of aerospace transparent enclosures:ASTM F320-10[S].PA:ASTM International,2010.

[10]SCHWARZ J,FREDERKING R,GAVRILLO V,et al.Standardized testing methods for measuring mechanical properties of ice[J].Cold regions science and technology,1981,4(3):245-253.

[11]张丽敏,李志军,贾青,等.人工淡水冰单轴压缩强度试验研究[J].水利学报,2009,40(11):1392-1396.

[12]BLAIR S C.Mechanical properties of first-year sea ice at intermediate strain rates[R].CA:Lawrence Livermore National Laboratory,1987.

中航工业集团公司航空科学基金项目(2014ZD38)

黄兴(1990-),男,河南开封人,硕士生,主要研究方向为固体力学.

2016-04-10

1672-6871(2016)06-0001-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.001

O34

A