梁嘉瑞，黄金红，杭宇，张欣玥，侯兵，李玉龙

（1. 西北工业大学 航空学院，陕西，西安 710072；2. 陕西省冲击动力学及工程应用重点试验室，陕西，西安 710072；3. 中国飞机强度研究所 结构冲击动力学航空科技重点试验室，陕西，西安 710065）

纤维增强树脂基复合材料由于比强度/比模量高、耐腐蚀和耐疲劳等优点而广泛应用于航空航天、高速列车和汽车工业等领域. 复合材料在服役和维护过程中会不可避免遭受低能量冲击，如冰雹撞击、跑道碎石和工具跌落等. 与高能量冲击导致明显可见损伤不同，低能量冲击多导致脆性基体材料的损伤，多表现为内部分层损伤. 这些损伤在日常检测中不易发现，却会明显降低结构的承载能力. 因此，开展复合材料层合板的低能量冲击损伤特性研究对于保证其服役安全至关重要.

近年来，学者们围绕复合材料冲击响应的影响因素开展了大量的实验、数值和理论研究. GILARDI 等[1]在其关于接触动力学的综述文章中指出，影响冲击过程的因素包括冲击能量、冲击速度、撞击物形状、被撞击结构的材料特性、尺寸、质量、约束条件、接触刚度和阻尼等. 具体到复合材料，大量已公开报道的研究多集中于冲击能量[2−4]、撞击物质量/速度[3−4]、冲头尺寸和形状[5−7]以及约束条件[8]等对损伤程度的影响，也有部分工作涉及层合板本身特性如基体/纤维层间特性性能[9]、铺层设计[6,10]等的影响. 研究发现，复合材料确定时，冲击能量是决定损伤严重程度的最主要因素，而在相同能量下，不同质量和冲击速度的影响处于次要地位. 例如，CANTWELL 等[2]的早期工作指出低能量冲击响应受层合板几何参数影响，而高能量冲击导致靶板局部破坏，与低能量冲击损伤相比更不利于结构的完整性.ARTERO-GUERRERO 等[3]和ZABALA 等[4]分别开展了不同撞击物速度/质量的等能量冲击试验，前者发现撞击物速度/质量的改变对试验结果无明显影响，分层面积、最大位移和剩余刚度等均只是冲击能量的函数. 后者则发现随着冲击速度提升，复合材料层合板耗散的能量几乎不变，而损伤面积和剩余刚度则略有变化. MITREVSKI 等[5]和SEVKAT 等[6]分析了冲头形状对层合板冲击损伤机制的影响，认为钝形冲头易导致大面积分层损伤，尖锐冲头易导致局部纤维断裂. 此外，也有学者研究了冲头直径的影响[7]，相同冲击能量下，冲头直径越小，造成的损伤程度越高，层合板被穿透的临界能量也越低.

事实上，在冲击碰撞过程中，被撞物所经历的冲击载荷时间历程和由此造成的损伤除受上述因素影响外，也与撞击物和被撞靶板的接触刚度和撞击物的失效过程相关. 目前已公开报道的文献中较少涉及撞击物材料特性对复合材料冲击损伤力学过程的影响. 本文通过试验方法研究了不同材质撞击物以相同能量撞击复合材料层合板的冲击损伤和剩余强度/刚度特性，揭示了撞击物材料特性对层合板冲击损伤特性的影响.

1 试验件与试验方法

本文开展了层合板同一能量（60 J）下的落锤冲击试验和三种不同材质小球的气炮冲击试验. 复合材料层合板为一种采用预浸料成型工艺制备的复合材料层合板，铺层设计采用[45/0/−45/90]3S，厚度4.8 mm，两种试验的试件尺寸均为150 mm×100 mm.

落锤冲击试验参照ASTM D 7 136 标准，使用Instron9250HV 落锤冲击试验机进行（图1）. 试验件采用四角固支的方式固定，落锤冲头为钢材质，端部为半球形，直径25 mm，质量为12.58 kg，60 J 冲击能量对应的冲击速度为3.1 m/s.

图1 落锤试验机及夹具Fig. 1 Drop-weight testing machine and the fixture

气炮冲击试验采用78 mm 口径高速空气炮进行.撞击物选用了钢球、铝球和聚合物球三种不同的材质，直径均为25 mm，三种材料的力学和物理参数见表1. 空气炮工作原理见图2. 试验时，撞击物小球和弹托被放置在炮膛内，并通过压气机在气室内形成高压气体. 发射时，打开阀门，气室中的高压气体会压入炮管，推动弹托在炮管内向前高速运动. 在炮膛出口处，弹托被拦截，撞击物小球继续向前运动撞击靶板. 试验中采用激光测速仪和高速照相机记录撞击物的速度和撞击过程，通过控制高压气体的压强可以调节撞击物的发射速度. 为了与落锤试验具有可比性，气炮试验采用与落锤试验相同的四角固定约束.

表1 撞击物的力学和物理参数Tab. 1 Mechanical and physical parameters of the impactors

图2 高速气炮工作原理示意图Fig. 2 Schematic of the high-speed gas gun

冲击结束后，对所有试件进行检查，记录其损伤情况. 随后使用超声C 扫描无损检测技术检测层合板内部损伤面积. 复合材料层合板冲击后压缩试验参照ASTM D 7 137 标准，使用Instron8803 压缩试验机进行. 图3 为平板压缩试验所用夹具，主要由底座和顶盖组成，可以有效地防止壁板失稳或弯曲过度.

图3 压缩试验机及夹具Fig. 3 Instron machine and the fixture

2 试验结果与分析

2.1 冲击损伤特性

复合材料层合板的落锤冲击试验和不同工况的气炮冲击试验均进行了不少于3 个重复试验，损伤模式具有较好的重复性，且不同材质撞击物在冲击复合材料层合板过程中均未发生明显塑性变形. 图4展示了不同工况冲击后的层合板典型损伤情况. 可以看出，落锤冲击后的试验件正面形成近似圆形的凹坑(图4(a))，背面则出现了明显的穿透型损伤(图4(b))，且纤维断裂和基体破坏主要沿45°方向. 钢球冲击后的层合板损伤模式与落锤冲击结果高度相似：冲击正面可见圆形凹坑，背面也有45°方向的纤维断裂与基体开裂(见图4(c)、图4(d)). 铝球撞击的损伤情况见图4(e)和图4(f)，试件正面无目视可见损伤，背面也未发现明显拱起或纤维损伤，但是在试件的侧面可以看到明显直线状裂纹(见图4(i))，表明铝球撞击后的复合材料层合板内部已经发生了分层损伤，并且延伸到了层合板边缘. 聚合物球撞击后的试件正面和反面均没有目视可见损伤，并且在层合板的侧面也未发现明显损伤(见图4(g)、图4(h)).

图4 不同撞击物撞击复合材料层合板的表面损伤特征Fig. 4 The damage characteristics of the composite laminates impacted by various impactors

进一步对冲击后试件进行C 扫描分析，获得各种工况下层合板的损伤特性的定量结果如图5 所示.值得指出的是，尽管同一工况下重复性试验的损伤模式具有较好重复性，但是其对应的损伤面积分散性较大. 选择各工况下的典型C 扫结果如图6 所示.对比采用相同材质撞击物的落锤冲击和钢球冲击试验可以看出，前者发生大面积的分层损伤，形状多为椭圆形. 钢球的分层损伤形状不规则(图6(b))，损伤区域从撞击部位蔓延至右侧边缘，平均损伤面积大于落锤冲击. 铝球冲击后的试件确实发生了内部分层损伤(图6(c))，损伤扩展到了边缘界面，这与目检情况是相符合的. 而对于聚合物球冲击后的试件，无论外观观察还是内部探测，均未发现可见损伤.

图5 不同撞击物撞击复合材料层合板的损伤面积Fig. 5 The damage area of the composite laminates impacted by various impactors

图6 不同撞击物撞击复合材料层合板的C 扫描结果Fig. 6 The C-scan results of the composite laminates impacted by various impactors

2.2 剩余压缩强度

对冲击后含损伤复合材料层合板开展剩余承载能力压缩试验. 图7 展示了典型冲击工况下的重复性实验结果，可以看出，由于冲击后损伤面积的分散性，压缩载荷位移曲线也表现出一定的分散性. 然而，对比不同工况下的压缩实验结果仍然可以看出较为明显的变化规律.

图7 落锤冲击后复合材料层合板的压缩载荷位移曲线Fig. 7 Compressive load-displacement curves of composite laminates after drop-weight test

图8(a)显示了各工况下具有代表性（载荷位移曲线水平居中）的压缩载荷位移曲线的对比结果，图8(b)则描述了不同工况含损伤复合材料层合板的剩余压缩强度与剩余刚度的平均值. 从图中可以看出，未冲击的层合板具有最高的剩余强度和剩余刚度值. 2.1 节中发现落锤冲击与钢球冲击均造成较为严重的损伤（分层+纤维断裂），二者冲击后层合板的剩余压缩强度/刚度也非常接近，相较于未冲击层合板，压缩强度分别下降63.5%和62.2%，剩余刚度下降16.1%和16.6%，说明相同材质撞击物以相同能量、不同质量/速度撞击造成的损伤情况近似等效. 铝球撞击后的层合板承载能力介于钢球撞击和未撞击之间，其剩余强度和刚度相对于未冲击的情况分别下降26.8%和8.9%. 结合2.1 中的铝球撞击导致大面积分层损伤的特征，可知撞击物弹性模量变化会导致相同撞击能量下损伤模式和损伤程度的明显差异，从而影响剩余强度和刚度的变化. 进一步降低撞击物弹性模量，采用聚合物球进行撞击，考虑数据分散性，层合板的剩余压缩强度和刚度平均值与未冲击相比仍有一定降低（分别为4.6%和4.9%），说明聚合物球撞击后尽管目测和C 扫结果均未发现明显损伤，但可能仍然存在一些微小损伤造成材料后继承载能力的下降.

图8 压缩试验结果Fig. 8 Compression test results

3 讨 论

综合上述结果可以看出，冲击能量相同时，不同材质撞击物导致复合材料层合板的冲击损伤有明显差异，而相同材质撞击物的质量/速度变化则对损伤影响不大. 由于本文研究的三种撞击物在撞击复合材料层合板过程中均未发生明显塑性变形，而复合材料层合板也以脆性的基体破坏为主，即在破坏前主要发生弹性变形. 为分析简单起见，将该过程近似为两个弹性体撞击，并运用经典的赫兹接触理论[11]对撞击物材料特性影响冲击损伤过程的机理进行定性解释. 根据赫兹碰撞模型，撞击过程的接触力与压入深度呈非线性的幂函数关系

式中：下角标i, j分别表示撞击物和被撞物；Ri为撞击物小球的半径； µ和E分别为材料的泊松比和弹性模量. 容易计算出，对于本文三种撞击物冲击同一种复合材料层合板的情况，接触刚度K满足

在本模型中，三种撞击物具有相同的初始动能E0. 考虑冲击物开始撞击层合板到速度变为0 的过程，此时层合板产生最大变形. 若不考虑碰撞过程中摩擦引起的能量耗散，则撞击物的初始动能E0全部转换为了冲击力做的功

值得指出的是，复合材料冲击过程的真实能量耗散过程远较式(4)所给出的弹性碰撞能量转换过程复杂. 除需要考虑撞击物和复合材料接触过程的摩擦力所导致的能量耗散，复合材料的渐进损伤破坏过程，如图4 所示的纤维断裂、基体开裂和分层损伤等，也伴随着能量的不可逆耗散.

4 结 论

本文通过试验方法研究了同一冲击能量下撞击物材料特性对复合材料层合板冲击损伤特性的影响，得出以下结论：

①对比落锤试验与钢球冲击试验结果可以看出，同一冲击能量时，冲击物质量和速度差异对损伤特点及剩余承载能力的影响较小.

②对比三种不同材质小球的气炮冲击试验结果发现，撞击物在未发生明显塑性变形和破坏的前提下，其弹性性能会显著影响复合材料层合板的冲击损伤程度，并进一步影响剩余压缩强度和刚度.

③结合赫兹接触理论解释了冲击过程中撞击物弹性模量和泊松比影响接触刚度，并导致不同程度损伤的机理.