復(fù)合材料的沖擊、損傷容限和吸能-12

復(fù)合材料的沖擊、損傷容限和吸能沖擊實(shí)驗(yàn)的意義沖擊試驗(yàn)是用來(lái)衡量復(fù)合材料在經(jīng)受高速?zèng)_擊狀態(tài)下的韌件或?qū)嗔训牡挚鼓芰Φ脑囼?yàn)方法。對(duì)于研究各向異性復(fù)合材料在經(jīng)受沖擊載荷時(shí)的力學(xué)行為有一定的實(shí)際意義。對(duì)于車(chē)輛、航天器等運(yùn)動(dòng)著結(jié)構(gòu)來(lái)講，除了滿足自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等要求外，要求必須具有一定的“耐撞性”。耐撞性（Crashworthiness）－對(duì)運(yùn)動(dòng)的（載人、載物）結(jié)構(gòu)，在發(fā)生碰撞事故或特定的沖擊事件時(shí)能夠吸收沖擊能量并保護(hù)成員及貴重物品安全的能力。-要求:能夠在突發(fā)或特定的碰撞事件中，依靠自身結(jié)構(gòu)或附件裝置的屈曲、斷裂等破壞形式來(lái)減緩碰撞時(shí)的沖擊載荷，耗散沖擊能量。沖擊實(shí)驗(yàn)的方法主要可分為如下幾種：擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)(包括簡(jiǎn)支梁型和懸臂梁型)落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)彈射式實(shí)驗(yàn)裝置Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)支梁型沖擊試驗(yàn)是擺錘打擊簡(jiǎn)支梁試樣的中央；懸臂梁法則是用擺錘打擊有缺口的懸臂梁試樣的自由端。擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)試樣破壞所需的能量實(shí)際上無(wú)法測(cè)定。試驗(yàn)所測(cè)得的除了產(chǎn)生裂縫所需的能量及使裂縫擴(kuò)展到整個(gè)試樣所需的能量以外，還要加上使材料發(fā)生永久變形的能量和把斷裂的試樣碎片拋出去的能量。把斷裂試樣碎片拋出的能量與材料的韌性完全無(wú)關(guān)，但它卻占據(jù)了所測(cè)總能量中的一部分。

擺錘式實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)試驗(yàn)證明，對(duì)同一跨度的試樣越厚消耗在碎片拋出的能量越大。不同尺寸試樣的試驗(yàn)結(jié)果不好相互比較。但由于擺錘式試驗(yàn)法簡(jiǎn)單方便，所以在材料質(zhì)量控制、篩選等方面使用較多。落球式?jīng)_擊試驗(yàn)是把球、標(biāo)準(zhǔn)的重錘或投擲槍由已知高度落在試棒或試片上，測(cè)定使試棒或試片剛剛夠破裂所需能量的一種方法。落錘式實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)通過(guò)可控制地將落錘從一定高度落下獲得沖擊動(dòng)能，并通過(guò)信號(hào)和數(shù)據(jù)采集裝置記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。優(yōu)點(diǎn)：這類(lèi)沖擊體系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本較低，適用領(lǐng)域廣；缺點(diǎn)：沖擊速度可選范圍小，由于靠重力驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)受慣性力的影響較大。如果想把某種材料與其它材料進(jìn)行比較，或者需改變重球質(zhì)量，或者改變落下高度，十分不方便。落錘式實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)落球試驗(yàn)數(shù)值模擬圖針對(duì)落錘實(shí)驗(yàn)應(yīng)用運(yùn)動(dòng)物理學(xué)可導(dǎo)出如下理論方程：

Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)適用于尺寸較小的試件在高應(yīng)變率下的壓縮實(shí)驗(yàn)。一般來(lái)說(shuō)，輸入桿和測(cè)量桿的長(zhǎng)度應(yīng)該足夠長(zhǎng)，以確保在試件發(fā)生破壞前壓桿遠(yuǎn)端的反射波沒(méi)有到達(dá)試件；試件的尺寸要足夠小，使得彈塑性波在試件中的傳播時(shí)間與結(jié)構(gòu)屈曲響應(yīng)時(shí)間比很小，壓縮應(yīng)力在試件中均勻分布。需要確定如下物理量；沖擊載荷輸入歷程和大??；結(jié)構(gòu)載荷響應(yīng)歷程、大小和分布；結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)歷程、大小和分布；測(cè)量的應(yīng)變率響應(yīng)特點(diǎn)HopkinsonPressureBar飛機(jī)上的緩沖吸能部件（結(jié)構(gòu)）各類(lèi)吸能結(jié)構(gòu)各類(lèi)吸能結(jié)構(gòu)各類(lèi)吸能結(jié)構(gòu)各類(lèi)吸能結(jié)構(gòu)各種緩沖結(jié)構(gòu)的吸能比較Hopkinson法沖擊實(shí)驗(yàn)原理如其核心部分是兩段分離的彈性壓桿:輸入和輸出桿。子彈以一定的速度撞擊輸入桿,在其中產(chǎn)生一入射脈沖

,試樣在該應(yīng)力脈沖作用下被高速壓縮變形,同時(shí)向輸出桿傳播一透射波和向輸入桿返回一反射波

。根據(jù)SHPB實(shí)驗(yàn)的一維假定和均勻性假定,利用一維應(yīng)力波理論可得試樣的應(yīng)變率εt(t)、應(yīng)變?chǔ)?t)以及應(yīng)力σ(t):這樣只要測(cè)量到就可利用下式計(jì)算出試樣的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系及應(yīng)變速率的大小。通過(guò)調(diào)整子彈的撞擊速度來(lái)改變?cè)嚇討?yīng)變率的大小。壓桿的彈性模量壓桿的波速壓桿的截面積試樣初始截面積試樣初始長(zhǎng)度中的任意兩個(gè)波形損傷容限損傷容限：是指材料在經(jīng)受沖擊后，具有的殘余強(qiáng)度或剛度。實(shí)驗(yàn)方法：經(jīng)受撞擊或沖擊后的試件進(jìn)行再壓縮測(cè)量從而求得其是否具有足夠的強(qiáng)度或剛度。在壓縮載荷下金屬鋁泡沫纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的層間開(kāi)裂不同應(yīng)變率下泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(1)在沖擊加載條件下開(kāi)孔泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與靜態(tài)加載相似,具有三階層變形的特征,即彈性段、屈服平臺(tái)段和壓實(shí)段;但與靜態(tài)壓縮曲線不同的是,動(dòng)態(tài)壓縮曲線上平臺(tái)段開(kāi)始時(shí)有一應(yīng)力回落的波動(dòng)現(xiàn)象。(2)開(kāi)孔泡沫鋁具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng),隨應(yīng)變率的提高,相同應(yīng)變下的泡沫鋁的流動(dòng)應(yīng)力上升、平臺(tái)段的斜率增加,即流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而上升的速度加快、平臺(tái)段變短。(3)隨著應(yīng)變率的提高,盡管平臺(tái)區(qū)變短,但由于應(yīng)力升高,泡沫鋁的吸能性上升,而對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力也較高。開(kāi)口泡沫鋁材料的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)可看出，該種材料具有良好的吸能特征，可用于耐撞性材料。復(fù)合材料具有高強(qiáng)、高剛及可設(shè)計(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛地用于航天航空、建筑及交通等領(lǐng)域。但在吸能方面，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與與金屬結(jié)構(gòu)具有不同的性能機(jī)理，金屬結(jié)構(gòu)主要依靠塑性變形來(lái)吸收能量，而復(fù)合材料則通過(guò)多種形式的細(xì)觀破壞耗散能量。如：如纖維和基體的開(kāi)裂層間裂紋及開(kāi)裂纖維拔出局部扭曲等纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的低能沖擊損傷及剩余強(qiáng)度由于復(fù)合材料在撞擊過(guò)程中是以損傷的積累形式破壞的，因此，到目前還沒(méi)有一個(gè)包含所有的破壞模式的預(yù)報(bào)模型及破壞準(zhǔn)則對(duì)其吸能特性和剩余強(qiáng)度或剛度進(jìn)行有效預(yù)報(bào)。主要的研究方法只能依靠有限元數(shù)值計(jì)算進(jìn)行預(yù)報(bào)；斷裂準(zhǔn)則：在撞擊事件中必須吸收絕大部分的能量－緩沖件特性研究所關(guān)心的主要問(wèn)題之一就是如何有效地、盡可能多地吸收大部分撞擊能量，可通過(guò)結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。碰撞能量的吸收以可控的方式進(jìn)行。－即復(fù)合材料吸能結(jié)構(gòu)在各種撞擊