何艷斌 姚小虎 程世超 龍舒暢 張曉晴

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 廣州 510403)

復(fù)合材料泡沫夾芯板低能量沖擊響應(yīng)試驗研究*

何艷斌1，2姚小虎1?程世超1龍舒暢1張曉晴1

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 廣州 510403)

采用ASTM D7766/D7766M—15試驗標(biāo)準(zhǔn)，對聚氨酯泡沫夾芯、T 700/3234碳纖維增強(qiáng)樹脂面板試驗件采用落錘沖擊，分析了不同沖擊能量、不同泡沫芯材、不同沖頭作用下復(fù)合材料泡沫夾芯板的沖擊響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其可以分為3種破壞模型.隨沖擊能量增大，最大沖擊力增大，達(dá)到峰值的時間縮短，上面板損傷開始較早，結(jié)構(gòu)損傷增大，泡沫夾芯板壓縮量增大；密度較大的泡沫夾芯結(jié)構(gòu)上面板產(chǎn)生的沖擊力的峰值大、位移小、吸收能量多，下面板的變形減小，結(jié)構(gòu)抵抗變形能力強(qiáng)，應(yīng)變??；直徑小的沖頭穿透性強(qiáng)，上面板應(yīng)變較小，下面板應(yīng)變增大.

復(fù)合材料；泡沫夾芯；低能量沖擊；動力響應(yīng)

復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)重量輕，有效地解決了層合板彎曲剛度不足和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問題[1]，在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用.但是，泡沫夾芯板經(jīng)常遭遇外來物的低能量沖擊，產(chǎn)生面板內(nèi)部分層、面板穿透、泡沫夾芯壓潰等損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低，所以很有必要針對泡沫夾芯結(jié)構(gòu)低能量沖擊動力響應(yīng)開展研究.

國內(nèi)外學(xué)者針對復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)低能量沖擊動力響應(yīng)進(jìn)行了試驗研究.復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)“面板硬”和“夾芯軟”的材料異性被證明是夾芯結(jié)構(gòu)最主要的缺點之一[2]，在面板夾芯界面主要的兩種損傷形式是夾芯材料局部壓碎和伴隨的面板脫膠.Anderson等[3]對不同鋪層、不同厚度的面板(LTM45EL/CF0111)和不同密度的泡沫夾層(110W和 51WF)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低速沖擊試驗，研究不同沖擊能量與接觸力、損傷規(guī)律的關(guān)系，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)損傷能量會隨著泡沫夾芯密度、面板厚度的增大而增加，泡沫夾芯損傷程度只與上面板凹坑深度有關(guān).Hou等[4]使用7.5 mm圓平頭沖頭、7.5 mm圓球頭沖頭、7.5 mm錐形沖頭對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗和彈道沖擊試驗，結(jié)果表明影響試驗的主要參數(shù)為沖擊速度、面板厚度、泡沫夾芯的厚度與密度等，與沖頭形狀沒有直接關(guān)系.Wang等[5]使用直徑為15、25和35 mm的球形沖頭對聚氨基甲酸酯泡沫、T300面板泡沫夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行低速沖擊試驗，結(jié)果表明最大接觸載荷隨著沖擊能量、沖頭直徑、面板厚度的增大而增大，沖擊響應(yīng)與泡沫夾芯厚度無關(guān).Michael等[6]對PMI泡沫夾芯結(jié)構(gòu)做了低能量沖擊實驗(沖擊能量小于10 J)，結(jié)果表明面板夾芯交界面脫粘不是發(fā)生在所有的夾芯結(jié)構(gòu)上，與芯材性能及剛度有關(guān)，即使沖擊能量較小也會存在一定的夾芯及面板損傷.張龍飛等[7]以阻燃中密度纖維板(MDF)和無紡布為增強(qiáng)材料，對酚醛泡沫板進(jìn)行表面增強(qiáng)，實驗表明MDF增強(qiáng)酚醛泡沫板的壓縮強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性等均有不同程度的提高.武曉東等[8]采用玻璃纖維、碳纖維、混雜碳/Kevlar和Kevlar纖維織物為面層，閉孔硬質(zhì)聚氨酯泡沫芯材，進(jìn)行25 J沖擊試驗，結(jié)果表明Kevlar纖維面層的沖擊載荷峰值最高，歷程最短，損傷程度最低；玻璃纖維面層的沖擊載荷峰值最低，損傷程度最高.于渤等[9]使用空心和PMI泡沫填充率波紋夾心結(jié)構(gòu)進(jìn)行泡沫塊沖擊試驗，結(jié)果表明空心波紋夾芯梁在速度較高的沖擊載荷作用下，前面板在沖擊區(qū)域發(fā)生撕裂，波紋芯體發(fā)生較大幅度的壓縮；相對于空心夾芯梁，PMI泡沫填充夾芯梁前面板的撕裂和芯體的壓縮程度大幅減小，后面板中點位移較空心夾芯梁更大，因而填充夾芯結(jié)構(gòu)相對空心結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢.

很多學(xué)者將精力集中到不同的夾芯結(jié)構(gòu)的重復(fù)沖擊力學(xué)響應(yīng)，Zhang 等[10]對泡沫填充的點陣夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮與低速沖擊試驗，結(jié)果表明增強(qiáng)后的泡沫夾芯具有更強(qiáng)的抗壓能力和沖擊能量吸收能力，但是結(jié)構(gòu)損傷阻抗并沒有明顯提高.還有學(xué)者研究了輕質(zhì)木夾芯結(jié)構(gòu)和PVC泡沫夾芯結(jié)構(gòu)[11]、泡沫填充的蜂窩結(jié)構(gòu)[12]、復(fù)合材料柱狀加強(qiáng)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)[13]、縫合泡沫夾芯結(jié)構(gòu)[14]等.

部分學(xué)者研究了面板損傷的測量方法，Ilbeom 等[15]使用電磁波測量夾芯結(jié)構(gòu)的面板的損傷，發(fā)現(xiàn)電磁波傳遞隨著損傷而改變；Ben等[16]使用聲發(fā)射法確定和定義夾芯結(jié)構(gòu)損傷，不同類型損傷被精確定義，每種聲發(fā)射信號對應(yīng)一種損傷類型；Wang等[5]使用3D ARAMIS非接觸方法測量泡沫夾芯結(jié)構(gòu)凹坑深度.文中針對碳纖維復(fù)合材料面板、聚氨酯泡沫夾芯結(jié)構(gòu)低能量沖擊動力響應(yīng)進(jìn)行試驗，研究不同沖擊能量、不同泡沫芯材、不同面板、不同沖頭作用下復(fù)合材料泡沫夾芯板的破壞模式、沖擊力時程曲線、下面板位移時程曲線、沖擊力-位移曲線、上下表面應(yīng)變時程曲線的變化規(guī)律等，進(jìn)一步揭示復(fù)合材料泡沫夾芯板低能量沖擊損傷機(jī)理和破壞模式，為復(fù)合材料泡沫夾芯板低能量沖擊分析提供一定指導(dǎo)和參考.

1 試驗方法

采用美國材料試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7766/D7766M—15[17]，試驗件尺寸長150 mm，寬100 mm,厚度為15 mm，上、下面板厚度均為1 mm.聚氨酯泡沫夾芯型號分別為51A、71A，密度均為52、75 kg/m3，編號1、2.面板為T700/3234碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料層合板，將[45/0/- 45/0]s、[45/90/- 45/0]s、[45/- 45/90/0]s 3種鋪層面板編號1、2、3.復(fù)合材料泡沫夾芯板試件的編號由3位數(shù)字組成，第1位為泡沫芯材的編號，第2位為0，第3位為復(fù)合材料面層的編號.例如編號為203的試件，其芯材為2號泡沫材料，面板為3號復(fù)合材料.試件上面板、下面板距離沖擊點30 mm處，45°、-45°方向分別粘貼兩個應(yīng)變片(中航工業(yè)電測儀器公司制造的BE120-3AA型電阻應(yīng)變片)，如圖1所示.

圖1 試件上、下面板的處理

使用Instron Dynatup 9250 HV落錘沖擊試驗機(jī)進(jìn)行沖擊試驗，如圖2所示，在沖頭上面有一個加速度傳感器，采集整個沖擊過程沖頭的加速度，乘以沖頭質(zhì)量得出沖擊力，由此得到?jīng)_擊力時程曲線.采用直徑為24、16、12.7 mm 3種圓球頭沖頭，如圖3所示.在落錘沖擊試驗機(jī)基座固定德國米銥精密測量技術(shù)有限公司生產(chǎn)的激光三角反射式位移傳感器optoNCDT-1607，測量下面板位移，如圖4所示.試驗使用東華動態(tài)信號采集儀DH5920采集應(yīng)變，如圖5所示.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 破壞模式

經(jīng)分析，將沖擊后復(fù)合材料泡沫夾芯板破壞分為3種模式.①Ⅰ型破壞：沖擊能量較小，試件上面板破壞主要表現(xiàn)為輕微彎曲變形，應(yīng)力集中處基體開裂，產(chǎn)生輕微凹坑，基體與纖維脫粘，纖維受拉變形；泡沫夾芯有輕微壓縮損傷，與上面板出現(xiàn)分層；下面板沒有目視可見損傷，如圖6所示.②Ⅱ型破壞：沖擊能量較大，沖頭位移相對增大，基體開裂范圍增大，沿基體裂紋處纖維發(fā)生明顯的斷裂與脫膠，試件上表面發(fā)生明顯凹坑，凹坑直徑與沖頭直徑基本一致，凹坑中間區(qū)域有輕微穿透；泡沫夾芯有明顯的壓縮損傷、與上面板出現(xiàn)明顯分層，下面板沒有目視可見損傷，如圖7所示.③Ⅲ型破壞：沖擊能量大，試件上面板穿透，沖頭位移最大，基體開裂范圍最大，沿基體裂紋處纖維發(fā)生大范圍的斷裂與脫膠，與上面板出現(xiàn)非常明顯的大范圍分層，凹坑直徑大于沖頭直徑；泡沫夾芯壓潰；沖頭接觸下面板產(chǎn)生目視可見損傷，如圖8所示.

圖2 Instron Dynatup 9250 HV落錘沖擊試驗機(jī)

Fig.2 Instron Dynatup 9250 HV drop hammer impact test machine

圖3 沖頭類別

圖4 激光位移傳感器

圖5 動態(tài)信號采集儀

2.2 不同沖擊能量試驗與分析

2.2.1 沖擊力時程曲線

圖9為不同沖擊能量試驗的沖擊力時程曲線，從圖中可以看出，在沖擊能量為7 J的條件下，沖擊時程為5 ms時，上面板出現(xiàn)損傷產(chǎn)生第1次波動；7 ms時，壓縮泡沫夾芯，產(chǎn)生第2次波動，沖擊力達(dá)到峰值(Ⅰ型破壞).沖擊能量為17 J、在沖擊時程為3 ms時，由于上面板損傷產(chǎn)生第1次波動；7.0 ms時，壓縮泡沫夾芯，產(chǎn)生第2次波動，沖擊力達(dá)到峰值(Ⅱ型破壞).在沖擊能量為32 J的條件下，沖擊時程為2 ms時，上面板損傷產(chǎn)生第1次波動；3.5 ms時，上面板穿透，壓縮泡沫夾芯，產(chǎn)生第2次波動，沖擊力達(dá)到峰值；10 ms時，沖頭壓潰泡沫夾芯材料并接觸下面板，沖擊力再次上升，產(chǎn)生第3次波動(Ⅲ型破壞).圖9所示曲線表明，隨沖擊能量增大，最大沖擊力增大，達(dá)到峰值的時間相對較短，上面板損傷開始較早，結(jié)構(gòu)損傷增大.

圖9 不同沖擊能量試驗的沖擊力時程曲線

2.2.2 下面板位移時程曲線

圖10為不同沖擊能量試驗的下面板位移時程曲線，通過固定在基座的激光位移傳感器測量.沖頭位移傳感器測量上面板位移.上面板的最大位移減去下面板的最大位移即為泡沫夾芯的最大壓縮量.可以看出：當(dāng)沖擊能量為7 J、在位移時程為10 ms前，下面板位移線性增加；在10 ms后，下面板回彈；泡沫夾芯壓縮量為3.3 mm.當(dāng)沖擊能量為17 J、在位移時程為5 ms前，下面板位移線性增加；5 ms后，壓縮到泡沫夾芯而下降；泡沫壓縮量為7.6 mm.當(dāng)沖擊能量為32 J、在位移時程為4 ms前，下面板位移線性增加；4～8 ms期間，上面板穿透、沖頭壓穿泡沫夾芯而下降；8～17 ms期間，沖頭接觸到下面板導(dǎo)致位移急劇上升后回彈.圖10所示曲線表明，隨沖擊能量增大，下面板的位移增大，泡沫夾芯板的壓縮量增大.

圖10 不同沖擊能量試驗的下面板位移時程曲線

Fig.10 Lower panel displacement time curve under different impact energy

2.2.3 沖擊力-位移曲線

圖11為不同沖擊能量試驗的沖擊力-位移曲線，可以看出，位移小于3 mm時，不同沖擊能量的沖擊力-位移曲線斜率一致；位移為3 mm時，上面板都損傷而產(chǎn)生曲線波動.當(dāng)沖擊能量為7 J，沖頭壓縮泡沫夾芯材料，曲線波動上升后線性回彈.當(dāng)沖擊能量為17 J、位移為5～7 mm時，上面板損傷增大但未穿透產(chǎn)生第2次波動；當(dāng)位移大于7 mm，泡沫夾芯被壓縮產(chǎn)生第3次波動.當(dāng)沖擊能量為32 J、位移為5～7 mm時，上面板穿透產(chǎn)生第2次劇烈波動；位移為7～14 mm時，泡沫夾芯被壓縮出現(xiàn)第3次波動；位移大于14 mm后，泡沫夾芯被壓潰，沖頭接觸到下面板產(chǎn)生第4次波動.圖11所示曲線表明，沖擊能量增大導(dǎo)致沖擊力增大，沖頭穿透性增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)損傷增大.

圖11 不同沖擊能量試驗的沖擊力-位移曲線

Fig.11 Impact force-displacement curve under different impact energy

2.2.4 應(yīng)變時程曲線

圖12(a)為不同沖擊能量試驗的應(yīng)變1(上面板)時程曲線，當(dāng)沖擊能量為7 J、應(yīng)變時程為5 ms前，上面板沒有發(fā)生損傷，應(yīng)變1表現(xiàn)為彈性；在5 ms時上面板損傷且壓縮泡沫夾芯，應(yīng)變1出現(xiàn)波動；在7 ms時應(yīng)變繼續(xù)增大至最大值.當(dāng)沖擊能量為17 J、應(yīng)變時程為3 ms前，應(yīng)變1表現(xiàn)為彈性；在3～5 ms時，上面板損傷，應(yīng)變1出現(xiàn)第1次波動；5～17 ms期間，由于沖頭壓縮泡沫，應(yīng)變1出現(xiàn)第2次波動.當(dāng)沖擊能量為32 J、應(yīng)變時程為2 ms前，應(yīng)變1表現(xiàn)為彈性；在2～4 ms時，上面板產(chǎn)生穿透性損傷，應(yīng)變1出現(xiàn)第1次波動；4～7 ms時，沖頭直接壓縮泡沫導(dǎo)致應(yīng)變1出現(xiàn)第2次波動；7～20 ms時，沖頭接觸到下面板導(dǎo)致應(yīng)變1出現(xiàn)第3次波動.圖12(b)為應(yīng)變3(下面板)時程曲線，其變化規(guī)律與應(yīng)變1類似.值得注意的是，當(dāng)沖擊能量為32 J時，由于沖頭直接接觸到下面板，下面板應(yīng)變3的第3次波動較為劇烈.圖12所示應(yīng)變時程曲線顯示，沖擊能量增大導(dǎo)致上面板應(yīng)變減小、下面板應(yīng)變增大，上面板、下面板的損傷加劇.

圖12 不同沖擊能量試驗的應(yīng)變時程曲線

2.3 不同泡沫夾芯試驗與分析

2.3.1 沖擊力時程曲線

圖13為不同泡沫夾芯試驗的沖擊力時程曲線，從編號為101與201試件的沖擊力時程曲線可以看出，在沖擊時程為5 ms以前，沖擊力彈性上升；5 ms以后，上面板出現(xiàn)內(nèi)部損傷并且壓縮泡沫夾芯產(chǎn)生第1次波動；201號試件上面板開始損傷的力大于101號試件.103號試件在8 ms以前的損傷與101號試件基本相同；但在8 ms以后，曲線波動較大，顯示泡沫夾芯損傷相對較大，對比101號試件說明面板鋪層順序?qū)?fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有明顯的影響(101、201號試件均為Ⅰ型破壞).圖13表明，密度較大的泡沫夾芯復(fù)合材料的上面板產(chǎn)生的沖擊力較大.

圖13 不同泡沫夾芯的沖擊力時程曲線

2.3.2 下面板位移時程曲線

圖14為不同泡沫夾芯試驗的下面板位移時程曲線，可以看出，由于201號試件的泡沫密度較大，材料抵抗變形的能力較強(qiáng)，導(dǎo)致201號試件下面板位移斜率較101號、103號大，201號的峰值明顯小于編號為101、103的試件.101、103與201號試件的泡沫夾芯壓縮量分別為2.6、3.3、3.3 mm.這組數(shù)據(jù)說明，泡沫夾芯密度增大會導(dǎo)致下面板的變形減小；上面板鋪層順序?qū)ο旅姘宓奈灰坪团菽瓑嚎s量具有明顯的影響.

圖14 不同泡沫夾芯的下面板位移時程曲線

Fig.14 Lower panel displacement time curve under different foam core

2.3.3 沖擊力-位移時程曲線

圖15為不同泡沫夾芯試驗的沖擊力-位移曲線，從圖中可以看出，位移小于3.5 mm時，曲線均表現(xiàn)為彈性，相同位移下的 201號的沖擊力大于101、103號試件;位移為3.5～4.0 mm時上面板出現(xiàn)損傷而產(chǎn)生第1次波動；位移大于4.0 mm后，泡沫夾芯被壓縮產(chǎn)生第2次波動.101、103與201號試件吸收的沖擊能量分別為3.69、4.66、6.77 J.這說明泡沫夾芯板密度增大會增大結(jié)構(gòu)剛度，相同情況下上面板的力的峰值大、位移小、吸收能量多.

圖15 不同泡沫夾芯的沖擊力-位移曲線

2.3.4 應(yīng)變時程曲線

圖16(a)為不同泡沫夾芯試驗的應(yīng)變2(上面板)時程曲線，可以看出，在應(yīng)變時程為5 ms前，101、103與201號試件應(yīng)變線性增加；5 ms后，上面板損傷導(dǎo)致應(yīng)變出現(xiàn)第1次波動；103號試件泡沫夾芯壓縮量較大，出現(xiàn)較為明顯的第2次波動.圖16(b)為應(yīng)變4(下面板)時程曲線，在應(yīng)變時程為5 ms前，101、103與201號試件應(yīng)變線性增加；從5 ms至7 ms，下面板損傷導(dǎo)致3條曲線均出現(xiàn)第1次波動.由于沖頭開始壓縮泡沫夾芯,103與201號試件在7 ms以后出現(xiàn)較為明顯的第2次波動.由于201號試件夾芯密度較大，抵抗變形能力較強(qiáng)，所以上下面板的最大應(yīng)變較101、103號試件小.實驗結(jié)果表明泡沫夾芯密度增大提高了結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，應(yīng)變減小.

2.4 不同沖頭試驗與分析

2.4.1 沖擊力-時程曲線

圖17為不同沖頭試驗的沖擊力時程曲線.可以看出：在沖擊時程為4 ms前，不同沖頭的沖擊力時程曲線重合；約為5 ms時，上面板發(fā)生穿透損傷，沖擊力曲線都發(fā)生了第1次波動下降；5 ms以后,24 mm圓球頭沖頭開始壓縮泡沫夾芯，由于接觸面積較大且未接觸下面板，沖擊力曲線產(chǎn)生上升后再下降的第2次波動上升(Ⅱ型破壞)；16 mm和12.7 mm圓球頭沖頭接觸面積較小，壓潰泡沫夾芯導(dǎo)致沖擊力曲線產(chǎn)生第2次波動下降，沖頭接觸下面板，沖擊力曲線再次上升出現(xiàn)第3次波動上升(Ⅲ型破壞)；12.7 mm圓球頭沖頭面積最小，穿透性最強(qiáng)，造成下面板出現(xiàn)明顯目視可見損傷，所以沖擊力曲線出現(xiàn)第4次波動.試驗結(jié)果表明，直徑越小的沖頭穿透性越強(qiáng)，下面板損傷越嚴(yán)重.

圖16 不同泡沫夾芯的應(yīng)變時程曲線

圖17 不同沖頭的沖擊力時程曲線

2.4.2 下面板位移時程曲線

圖18為不同沖頭試驗的下面板位移時程曲線，可以看出，24 mm圓球頭沖頭作用下，在沖擊時程為5 ms前，下面板位移呈線性增加；在5 ms穿透上面板后，沖頭壓縮泡沫夾芯使下面板位移進(jìn)一步增大.16 mm圓球頭沖頭作用下，在沖擊時程為5 ms前，下面板位移呈線性增加；從5～10 ms，沖頭繼續(xù)穿透泡沫夾芯，使得下面板位移減?。粡?0～22 ms時，圓球頭沖頭接觸到下面板使得位移繼續(xù)增大至最大值.12.7 mm圓球頭沖頭作用下的下面板位移情況與16 mm圓球頭沖頭情況相似，但是由于沖頭直徑最小，穿透性最強(qiáng)，所以下面板位移最大.試驗結(jié)果表明，相同沖擊能量下，隨著沖頭直徑增大，下面板位移減小.

圖18 不同沖頭的下面板位移時程曲線

Fig.18 Lower panel displacement time curve under different punches

2.4.3 沖擊力-位移曲線

圖19為不同沖頭試驗的沖擊力-位移曲線，可以看出，在位移小于3 mm時，曲線重合；當(dāng)位移大于3 mm時，上面板損傷產(chǎn)生第1次波動.24 mm圓球頭沖頭在上面板位移達(dá)到7 mm時發(fā)生穿透；繼續(xù)壓縮泡沫夾芯，沖擊力再次明顯上升產(chǎn)生第2次波動.16 mm圓球頭沖頭在上面板位移達(dá)到5 mm時發(fā)生穿透；繼續(xù)壓縮泡沫夾芯并接觸底板，沖擊力再次明顯上升.12.7 mm圓球頭沖頭在上面板位移達(dá)到5 mm時發(fā)生穿透；繼續(xù)壓縮泡沫夾芯，最后沖擊底板，沖擊力再次明顯上升,還發(fā)生了劇烈的波動，說明下面板損傷.這說明沖頭直徑減小導(dǎo)致穿透性增強(qiáng)，對結(jié)構(gòu)造成的損傷增大.

圖19 不同沖頭的沖擊力-位移曲線

Fig.19 Impact force-displacement curve under different punches

2.4.4 應(yīng)變時程曲線

圖20(a)為不同沖頭試驗的應(yīng)變2(上面板)時程曲線,24 mm圓球頭沖頭由于接觸面積大未穿透上面板，所以上面板應(yīng)變量大于其余兩種沖頭.16、12.7 mm圓球頭沖頭穿透上面板，壓潰泡沫夾芯后接觸到下面板，且16 mm圓球頭沖頭產(chǎn)生的應(yīng)變大于相同工況下的12.7 mm圓球頭沖頭.圖20(b)為應(yīng)變3(下面板)時程曲線,24 mm圓球頭沖頭沒有穿透上面板，由于泡沫夾芯的緩沖作用，導(dǎo)致下面板的應(yīng)變3繼續(xù)上升.16、12.7 mm圓球頭沖頭穿透上面板，應(yīng)變3產(chǎn)生第1個突降；然后壓潰泡沫夾芯；當(dāng)沖頭快要接觸到下面板時，由于圓球頭沖頭尺寸效應(yīng)和泡沫夾芯材料破裂，導(dǎo)致下面板出現(xiàn)瞬時回彈，從而使應(yīng)變3產(chǎn)生第2個突降；當(dāng)12.7 mm圓球頭沖頭接觸到下面板后，應(yīng)變3產(chǎn)生第2次增大，說明下面板產(chǎn)生損傷.試驗結(jié)果表明，隨著沖頭直徑減小，穿透性增強(qiáng)，上面板的應(yīng)變減小，下面板應(yīng)變增大.

圖20 不同沖頭的應(yīng)變時程曲線

3 結(jié)論

文中綜合設(shè)計了11種工況，對比研究不同沖擊能量、不同泡沫夾芯、不同沖頭情況下的碳纖維復(fù)合材料泡沫夾芯板低能量沖擊動力響應(yīng)，主要得出以下結(jié)論：

(1)低能量沖擊后，根據(jù)試件上下面板、泡沫夾芯的破壞情況，可以分為3種破壞模型.

(2)隨沖擊能量增大，上面板的最大沖擊力增大，達(dá)到峰值的時間縮短，損傷開始較早，結(jié)構(gòu)損傷增大；下面板位移增大，泡沫夾芯板壓縮量增大；上面板應(yīng)變減小、下面板應(yīng)變增大，上、下面板損傷增大.

(3)密度較大的泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的上面板產(chǎn)生的沖擊力的峰值大、位移小、吸收能量多，下面板的變形減小，結(jié)構(gòu)抵抗變形能力強(qiáng)，應(yīng)變小.

(4)直徑小的沖頭穿透性強(qiáng)，上面板應(yīng)變較小，下面板應(yīng)變增大.

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Experimental Investigation into Dynamic Response of Composite Foam Sandwich Plates Under Low-Energy Impact

HEYan-bin1,2YAOXiao-hu1CHENGShi-chao1LONGShu-chang1ZHANGXiao-qing1

(1.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2.Guangzhou Civil Aviation College, Guangzhou 510403, Guangdong, China)

Drop weight tests were carried out on the polyurethane foam and T 700/3234 carbon fiber panel sandwich specimen based on the ASTM D7766/D7766M—15 experiment standard. Then, the dynamic responses of the composite foam sandwich plates with different foams and punches were analyzed under different impact energy. The results show that (1) there exist three types of damage models for the dynamic responses; (2) as the impact energy increases, the peak impact force of the upper panel increases and reaches the peak value in lesser time, and the structure damage of the upper panel starts earlier and continuously increases, with an increase of the compression of the foam sandwich plates; (3) the upper panel of the higher density foam sandwich plates has a higher peak force value and a smaller displacement with more absorbed impact energy, and the corresponding lower panel has smaller deformation and strain with a stronger capability to resist the deformation; and (4) the punch of a smaller diameter has a stronger penetration, which can lead to a smaller upper panel strain and a larger lower panel strain.

composites; foam sandwich; low energy impact; dynamic response

2016- 03- 28

國家自然科學(xué)基金資助項目(11472110，11372113)；華南理工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2015ZP042)；廣東省普通高校特色創(chuàng)新項目(2014ktscx015)；爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點試驗室開放基金資助項目(KFJJ15- 20M). Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(11472100,11372113)

何艷斌(1974-)，男，博士生，教授，主要從事沖擊動力學(xué)研究.E-mail:heyanbin@caac.net

? 通信作者: 姚小虎(1974-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事復(fù)合材料力學(xué)和沖擊動力學(xué)研究.E-mail:yaoxh@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)10- 0057- 08

TB 122

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.10.009