胡業(yè)發(fā)， 王 彬， 張錦光， 宋春生， 徐仕偉

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如汽車(chē)、飛行器等．然而，碳纖維復(fù)合材料在其生命周期內(nèi)往往會(huì)受到各種低速?zèng)_擊(沖擊速度小于25 m/s)的影響，如人為踩踏、設(shè)備碰撞等．由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身對(duì)沖擊作用比較敏感，這種沖擊很容易在復(fù)合材料內(nèi)部造成損傷．研究表明，低速?zèng)_擊損傷會(huì)使結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能下降35%～40%[1]．與高速?zèng)_擊(如飛行器的鳥(niǎo)撞沖擊[2]、防彈門(mén)的彈頭撞擊[3])不同，低速?zèng)_擊造成的損傷往往發(fā)生在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，肉眼很難直接觀察到，因此，對(duì)于低速?zèng)_擊過(guò)程必須要通過(guò)有效的手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)．

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)始應(yīng)用FBG傳感器來(lái)進(jìn)行沖擊的監(jiān)測(cè)．Tsuda等[4]提出了運(yùn)用FBG傳感器組建的光纖傳感系統(tǒng)對(duì)CFRP層合板沖擊響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法，證明了埋入FBG傳感器對(duì)復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)的整體性影響較?。甌akeda等[5]利用光柵研究了層合板在低速?zèng)_擊作用下的損傷行為，并結(jié)合應(yīng)變片和超聲C掃描對(duì)光柵監(jiān)測(cè)層合板內(nèi)部應(yīng)變的準(zhǔn)確性及與實(shí)際損傷的相符性進(jìn)行了驗(yàn)證．谷廣偉等[6]通過(guò)FBG傳感器對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料層合板的沖擊響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)變化可以反映層合板的應(yīng)變情況．武雪等[7]將FBG傳感器埋入碳纖維復(fù)合材料層合板中，對(duì)復(fù)合材料成型過(guò)程和單次沖擊進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究．實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)FBG傳感器能有效監(jiān)測(cè)層合板內(nèi)部的應(yīng)變．陸觀等[8]搭建了基于FBG傳感器應(yīng)變敏感特性的復(fù)合材料板沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的沖擊信號(hào)特征提取方法，研究了基于信號(hào)特征提取的沖擊信號(hào)方向判別．

文獻(xiàn)[4-8]的研究方法多采用試驗(yàn)研究，缺少低速?zèng)_擊過(guò)程的仿真分析，筆者在ABAQUS中對(duì)CFRP層合板在低速?zèng)_擊下的響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了模擬．文獻(xiàn)[4-8]中的研究證明了FBG傳感器中心波長(zhǎng)變化量能有效地反映沖擊過(guò)程中層合板內(nèi)部的應(yīng)變．但是，針對(duì)FBG傳感器中心波長(zhǎng)偏移峰值與沖擊能量關(guān)系的研究仍欠缺．筆者采用落球沖擊的方法來(lái)進(jìn)行CFRP層合板的低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，通過(guò)埋置在層合板中的FBG傳感器對(duì)層合板的低速?zèng)_擊過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用解調(diào)儀對(duì)FBG傳感器信號(hào)進(jìn)行快速解調(diào)，獲得了低速?zèng)_擊過(guò)程中FBG傳感器的中心波長(zhǎng)峰值，研究了沖擊能量與FBG傳感器的中心波長(zhǎng)偏移峰值(中心波長(zhǎng)峰值與初始中心波長(zhǎng)值的差值為波長(zhǎng)偏移峰值)的關(guān)系，為FBG傳感器中心波長(zhǎng)偏移峰值衡量沖擊能量大小提供依據(jù)．

1 CFRP層合板低速?zèng)_擊過(guò)程分析

1.1 CFRP層合板低速?zèng)_擊有限元建模

運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)CFRP層合板在低速?zèng)_擊作用下的響應(yīng)進(jìn)行模擬，由于FBG傳感器的體積小，埋入層合板后對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響較小[9]，故在仿真分析中忽略置入的FBG傳感器的影響．

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTMD7136—07[10]的規(guī)定，所選用的CFRP層合板的材料為T(mén)300/環(huán)氧樹(shù)脂，尺寸為160 mm×100 mm，鋪層方案為[0°/90°/0°/90°/0°]s，鋼球質(zhì)量為64 g．由于鋼球剛度遠(yuǎn)大于層合板剛度，因此筆者在建模中將鋼球定義為剛體．鋼球速度為鋼球與層合板表面剛接觸時(shí)的速度，通過(guò)改變沖擊速度來(lái)改變沖擊能量的大?。疀_擊鋼球材料參數(shù)如表1所示．T300/環(huán)氧樹(shù)脂層合板的參數(shù)如表2所示，表中，E1、E2表示各向彈性模量；Nu1為泊松比；G12、G13、G23為3個(gè)方向的剪切模量；Xt、Yt、Zt為3個(gè)方向的拉伸強(qiáng)度；Xc、Yc、Zc為3個(gè)方向的壓縮強(qiáng)度；S12、S23為縱向和橫向的剪切強(qiáng)度；Wxt、Wyt為縱向和橫向的拉伸斷裂能；Wxc、Wyc為縱向和橫向的壓縮斷裂能．

表1 鋼球的材料參數(shù)

表2 T300/環(huán)氧樹(shù)脂層合板的材料參數(shù)

不同沖擊能量下對(duì)應(yīng)的鋼球初始速度如表3所示．

表3 沖擊參數(shù)

在ABAQUS中對(duì)CFRP層合板和鋼球分別進(jìn)行建模，由于低速?zèng)_擊過(guò)程中，沖擊鋼球變形很小，因此分析中將其設(shè)置成剛體．將鋼球和CFRP層合板模型進(jìn)行裝配，形成一個(gè)完整的裝配體模型，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，此處將鋼球和層合板表面之間的距離設(shè)置成0(臨界接觸位置)，以便于分析時(shí)更快進(jìn)入沖擊接觸狀態(tài)．將層合板的兩端進(jìn)行約束，并在沖擊鋼球上施加一個(gè)垂直于層合板的初始速度，在分析中通過(guò)改變初始速度來(lái)進(jìn)行不同沖擊能量下的分析．選用單元S4R和C3D4對(duì)層合板和沖擊鋼球進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元網(wǎng)格劃分模型如圖1所示．

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element analysis model

1.2 有限元分析結(jié)果

分析時(shí)選取0.1J、1.765 m/s的沖擊等級(jí)，設(shè)置分析時(shí)間為1 ms，觀察層合板在低速?zèng)_擊作用下的響應(yīng)過(guò)程．在ABAQUS中查看沖擊過(guò)程中應(yīng)力波在層合板中的傳播過(guò)程，選取典型時(shí)刻來(lái)分別查看0°層和90°層的應(yīng)力情況，如圖2所示．從圖2可以看到，應(yīng)力波在層合板內(nèi)部是沿著纖維方向進(jìn)行傳播的．沖擊過(guò)程中系統(tǒng)的動(dòng)能和內(nèi)能時(shí)間歷程曲線，如圖3所示．

圖2 應(yīng)力波傳播方向Fig.2 Direction of propagation of stress wave

圖3 沖擊過(guò)程中系統(tǒng)能量的時(shí)間歷程曲線Fig.3 Energy-Time curve during impact

沖擊過(guò)程中的系統(tǒng)動(dòng)能來(lái)自于沖擊鋼球，因此圖3中的動(dòng)能曲線所反映的是沖擊鋼球在沖擊過(guò)程中動(dòng)能的變化．從圖3可以看到，動(dòng)能曲線先下降到達(dá)一個(gè)谷底，然后上升，最后趨于平穩(wěn)，這表明:在1 ms的分析時(shí)間內(nèi)沖擊鋼球與層合板完成沖擊接觸．反映的實(shí)際情況是鋼球以一定沖擊速度與層合板表面接觸，在層合板的阻擋下，速度降低直至0，沖擊鋼球的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為層合板的內(nèi)能，隨后層合板內(nèi)能又轉(zhuǎn)化為鋼球的動(dòng)能，從而使得沖擊鋼球反彈，最終與層合板脫離接觸．從動(dòng)能曲線可以看出，曲線趨于穩(wěn)定后的動(dòng)能要小于沖擊開(kāi)始時(shí)候的動(dòng)能，可知在沖擊接觸的過(guò)程中，層合板吸收了一部分的動(dòng)能．

不同沖擊能量下，CFRP層合板中間層(ply-5)中的最大應(yīng)力值，如圖4所示．從圖4可以看出，在0.1 J～0.5 J范圍中，隨著沖擊能量的增加，層內(nèi)的最大應(yīng)力值呈增大趨勢(shì)．

圖4 不同能量下ply-5層中的最大應(yīng)力Fig.4 Mises in ply-5 under different impact energy

2 CFRP層合板低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)研究

2.1 CFRP層合板低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)件選用T300 12K碳纖維單向布作為纖維增強(qiáng)體，M03環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，層合板尺寸為160 mm×100 mm，鋪層方案[0°/90°/0°/90°/0°]，將FBG傳感器沿著纖維方向埋置在中間層處，如圖5所示，光柵位置距板材中心10 mm．實(shí)驗(yàn)件一共3個(gè)，如圖6所示．

圖5 FBG埋放位置Fig.5 The FBG embedding position

將1#實(shí)驗(yàn)件的兩端固定，使層合板的幾何中心正對(duì)著沖擊鋼球的正下方；將FBG傳感器通過(guò)光纖跳線與解調(diào)儀相連，然后通過(guò)網(wǎng)線與電腦相連；打開(kāi)解調(diào)儀軟件，觀察能否獲得FBG傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)，并記錄傳感器初始波長(zhǎng)數(shù)據(jù)；最后將沖擊鋼球按照表4中編號(hào)1～5依次調(diào)整到對(duì)應(yīng)高度來(lái)對(duì)層合板進(jìn)行沖擊，同時(shí)采集沖擊過(guò)程中的波長(zhǎng)信號(hào)；按照同樣的方法完成其他兩個(gè)實(shí)驗(yàn)件的沖擊，并保存波長(zhǎng)信號(hào).具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表4．

圖6 3組層合板實(shí)驗(yàn)件Fig.6 Three pieces of laminate specimens

編號(hào)高度/m接觸時(shí)的速度/(m·s-1)沖擊能量/J1015917650120319250002304783090034063835360450797395205

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)FBG傳感器上采集的中心波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行分析，光纖光柵解調(diào)儀的采樣頻率為4 000 Hz．圖7所示的是在0.1 J能量沖擊下,1#實(shí)驗(yàn)件中的FBG傳感器中心波長(zhǎng)的變化．

圖7 1#實(shí)驗(yàn)件中FBG中心波長(zhǎng)的變化Fig.7 Wavelength shift in FBGs embedded in specimen 1#

由圖7可知，在沖擊鋼球與層合板沖擊的瞬間，F(xiàn)BG傳感器的中心波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，波長(zhǎng)峰值與初始波長(zhǎng)的差值為波長(zhǎng)偏移峰值，峰值過(guò)后，波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)回落．這表明在沖擊瞬間，沖擊點(diǎn)處的接觸力所產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)引起了CFRP層合板內(nèi)部的微變形，當(dāng)應(yīng)力波傳播到傳感器所埋置的位置時(shí)，這種微變形就會(huì)導(dǎo)致傳感器發(fā)生微應(yīng)變，從而使得FBG傳感器的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移．這表明傳感器能夠準(zhǔn)確的捕捉到瞬間的沖擊信號(hào)．

在0.1 J～0.5 J能量沖擊下，3個(gè)實(shí)驗(yàn)件中的FBG傳感器的波長(zhǎng)偏移峰值如圖8中所示．

圖8 3個(gè)實(shí)驗(yàn)件波長(zhǎng)偏移峰值Fig.8 Wavelength shift in FBGs embedded in 3 specimens

從圖8中可以得出，0.1 J～0.5 J范圍內(nèi)，隨著沖擊能量的增加，3個(gè)實(shí)驗(yàn)件中傳感器波長(zhǎng)偏移峰值均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，可見(jiàn)FBG傳感器中心波長(zhǎng)的偏移峰值與沖擊能量的大小有關(guān)，F(xiàn)BG傳感器中心波長(zhǎng)的偏移峰值能反映沖擊能量的大小．

根據(jù)FBG傳感器的原理[11]，在忽略溫度對(duì)光柵中心波長(zhǎng)影響的情況下，F(xiàn)BG傳感器中心波長(zhǎng)的偏移量與FBG傳感器布置點(diǎn)的應(yīng)力成正比，從圖8可以得出，隨著沖擊能量的增加，F(xiàn)BG傳感器中心波長(zhǎng)偏移峰值增大，F(xiàn)BG傳感器布置點(diǎn)的層內(nèi)最大應(yīng)力值呈增大趨勢(shì)，從而驗(yàn)證了圖4所得的結(jié)論．

實(shí)驗(yàn)中1#、2#、3#實(shí)驗(yàn)件在同種沖擊能量作用下，3個(gè)傳感器的波長(zhǎng)偏移峰值出現(xiàn)了一定的差異，經(jīng)過(guò)分析，原因?yàn)?個(gè)實(shí)驗(yàn)件自身質(zhì)量差異以及固化過(guò)程中存在殘余應(yīng)力．

3 結(jié)論

筆者將ABAQUS仿真和層合板低速?zèng)_擊響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合分析得到以下結(jié)論：

(1)應(yīng)力波在層合板內(nèi)部是沿著纖維方向進(jìn)行傳播的；

(2)埋置在CFRP層合板中的FBG傳感器能夠準(zhǔn)確的捕捉到瞬間沖擊信號(hào)，隨著沖擊能量增加，層內(nèi)最大應(yīng)力值呈增大的趨勢(shì)，中心波長(zhǎng)偏移峰值也隨之增大．中心波長(zhǎng)偏移峰值的大小可以反映沖擊能量的大小，在層合板沒(méi)有受到損傷之前，波長(zhǎng)偏移峰值越大，沖擊能量越大．

這為以后應(yīng)用FBG傳感器監(jiān)測(cè)CFRP低速?zèng)_擊損傷奠定基礎(chǔ)，為構(gòu)建FBG傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行CFRP沖擊損傷判定提供依據(jù)．

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