董帆 ，馬其華 ，2，周天俊

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620； 2.高性能纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(B 類)，東華大學(xué)，上海 201620)

合理的設(shè)計(jì)和布置緩沖吸能元件，以最少的材料質(zhì)量投入獲得最大的結(jié)構(gòu)吸能特性是輕量化技術(shù)追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)金屬材料多是通過(guò)增加結(jié)構(gòu)的厚度與尺寸來(lái)改善吸能特性，這與時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)明顯相悖?？紤]燃油經(jīng)濟(jì)性、排放污染、結(jié)構(gòu)承載和美觀等方面要求，逐漸引入非金屬材料作為替代品成為目前汽車、航空等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比吸能強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。如玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料是典型的脆性材料，在發(fā)生斷裂之前通常表現(xiàn)為線彈性，與金屬材料相比，對(duì)沖擊損傷很敏感。但是，如果適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)破壞，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以以可控的方式吸收大量沖擊能量[1–3]。纖維復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)中以管件結(jié)構(gòu)最為經(jīng)典，且應(yīng)用范圍最廣。筆者以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁管件結(jié)構(gòu)為分析重點(diǎn)，對(duì)改善其吸能特性的方法及其多種影響因素進(jìn)行綜述，總結(jié)了目前學(xué)者們?cè)诖祟I(lǐng)域的研究，并對(duì)目前研究中的不足進(jìn)行了總結(jié)。

1 薄壁件軸壓吸能特性的評(píng)價(jià)

薄壁件軸向壓縮載荷下的吸能性主要采用比吸能(SEA)、初始峰值載荷(Fmax)、平均峰值載荷(Fmean)等三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。

不同于金屬件主要通過(guò)塑性變形來(lái)耗散能量，復(fù)合材料薄壁件主要是通過(guò)多種形式的細(xì)觀破壞耗散能量，如纖維和基體的斷裂、層間裂紋及開裂、局部屈曲等。在軸向載荷作用下，復(fù)合材料常見變形模式有：(1)脆性斷裂：如碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合管軸向壓縮；(2)漸進(jìn)式疊縮：如纖維／金屬?gòu)?fù)合材料結(jié)構(gòu)的軸向壓縮，如圖1 所示。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的塑性變形以材料脆性斷裂為主，吸能機(jī)理是多種細(xì)觀尺度的損傷破壞共同作用的結(jié)果，而這些細(xì)觀破壞機(jī)理又是通過(guò)宏觀破壞模式的形式表現(xiàn)出來(lái)，決定復(fù)合材料薄壁件的能量吸收能力。

圖1 復(fù)合材料管常見變形模式

從試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論預(yù)測(cè)等方面考慮，根據(jù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁件在軸向壓縮下的工況要求，采用MTS 或WDW 等測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行軸向壓縮實(shí)驗(yàn)。以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的理論預(yù)測(cè)與有限元模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證仿真的可行性，并對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁件的能量吸收影響因素和影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，為結(jié)構(gòu)的耐撞性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。復(fù)合材料吸能特性分析如圖2 所示。

圖2 復(fù)合材料吸能特性分析

2 復(fù)合材料薄壁管的結(jié)構(gòu)影響

在設(shè)計(jì)和應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的緩沖吸能元件時(shí)，必須滿足兩個(gè)條件：一是在碰撞發(fā)生時(shí)必須以極大變形吸收大部分撞擊能量。這需要對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)；二是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在撞擊條件下有較平穩(wěn)的破壞模式，以可控的方式吸收能量。這需要研究結(jié)構(gòu)是如何影響損傷模式和吸能機(jī)理的。

2．1 觸發(fā)結(jié)構(gòu)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁件在軸向撞擊過(guò)程中表現(xiàn)為脆性斷裂的特征和較高的能量吸收能力，可作為理想的耐撞性元件。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，撞擊或準(zhǔn)靜態(tài)壓縮在引發(fā)階段的結(jié)構(gòu)破壞形式和載荷特征將在之后的漸進(jìn)破壞過(guò)程中得到保持或某種程度的延續(xù)，從而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的緩沖吸能特性。對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁件端部進(jìn)行削弱處理，可引發(fā)漸進(jìn)破壞過(guò)程并降低初始載荷，對(duì)實(shí)際工程具有重大意義。

目前最常用、最簡(jiǎn)單的引發(fā)方式是單倒角引發(fā)。例如，G.L. Farley 和Thornton，Hull 等[4]采用這種削弱引發(fā)方式對(duì)試件進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)這種引發(fā)機(jī)制可以減小初始?jí)簼⑤d荷，使復(fù)合材料可以穩(wěn)態(tài)失效?；诖?，王璠等[5]研究了引發(fā)角對(duì)低速?zèng)_擊下能量吸收的影響，結(jié)果表明試件倒角對(duì)能量吸收效果的影響控制在5%以內(nèi)，所以合理的倒角不僅可降低載荷峰值，而且不影響試件能量吸收效果。陳永剛等[6]在圓管的一端開出典型的[15]0，[45]0，[60]0的引發(fā)角。從試驗(yàn)結(jié)果和宏觀失效形貌上，發(fā)現(xiàn)[45]0引發(fā)角不僅峰值載荷適中，而且引發(fā)距離短，比較適合引發(fā)初始失效。借鑒單倒角引發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，研究人員又提出了一種新的引發(fā)方式：雙倒角引發(fā)，即在試件的兩端同時(shí)做削弱處理[1]。雙倒角引發(fā)的試件表現(xiàn)出比單倒角更小的初始引發(fā)斜率，更低的初始峰值載荷PCr，以及更長(zhǎng)的引發(fā)階段，而且在到達(dá)PCr以后載荷保持相對(duì)穩(wěn)定，并有可能隨壓縮的繼續(xù)而呈現(xiàn)逐漸增加的態(tài)勢(shì)。雙倒角引發(fā)和單倒角引發(fā)試件的比吸能相差不多，但是在延長(zhǎng)引發(fā)階段和降低峰值載荷上，雙倒角表現(xiàn)更優(yōu)。

國(guó)際學(xué)者對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)稱元件進(jìn)行研究[7-8]，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料對(duì)稱元件依靠彈性變形后的壓潰階段吸收大量能量，同時(shí)這種對(duì)稱構(gòu)造還可以有效地引發(fā)破壞，使破壞過(guò)程更易于控制。基于此，宋毅[9]，王璠[5]和S. Palanivelu等[10]提出了一種新穎的花瓣型引發(fā)方式，研究表明花瓣型結(jié)構(gòu)的試件能有效地引發(fā)漸進(jìn)破壞，極大地降低了初始荷載峰值，試件到達(dá)初始峰值的進(jìn)程大大減緩了，且在達(dá)到初始峰值載荷后，應(yīng)力–位移曲線仍保持較高的平均載荷，顯示出了良好的延續(xù)性，不同觸發(fā)機(jī)制如圖3 所示。

圖3 單倒角、雙倒角、花瓣形觸發(fā)機(jī)制

觸發(fā)機(jī)制可以很好地引發(fā)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管件穩(wěn)態(tài)壓潰失效，與比吸能沒有直接的聯(lián)系，但是從載荷一位移曲線分析，前者引發(fā)更穩(wěn)定，后者作為探索復(fù)合材料管件穩(wěn)態(tài)壓潰的引發(fā)機(jī)制，同樣豐富了復(fù)合材料管件穩(wěn)態(tài)壓潰研究。

2．2 誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料圓柱殼吸能結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要應(yīng)用是在車輛碰撞安全領(lǐng)域[11]。為保證車輛的碰撞安全，在發(fā)生事故時(shí)，車身應(yīng)以一定的方式破壞。如圖4 所示。為提高結(jié)構(gòu)的耐撞性能，設(shè)置一種合理的誘導(dǎo)機(jī)制使碰撞能的耗散盡可能以一種可控制、可預(yù)見的方式進(jìn)行[12]。

圖4 車身前部理想的碰撞特性曲線

很多學(xué)者在復(fù)合材料薄壁件的基礎(chǔ)上提出了誘變?cè)瓌t，并通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法分析了誘導(dǎo)孔對(duì)吸能特性的改善情況。例如E. G. Guynn 和Bradley[12]通過(guò)細(xì)觀力學(xué)去解釋損傷破壞，結(jié)果表明開孔復(fù)合材料層合板的壓縮破壞是從邊緣開始的通過(guò)局部屈曲／剪切破壞，使力穩(wěn)定傳播直到達(dá)到臨界大小。C. Soutis 等[13]對(duì)其失效特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)孔附近的應(yīng)力集中降低了穿孔層合板的臨界壓縮強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)合材料的誘導(dǎo)研究逐漸趨于工程實(shí)際。S. R. Hallett 等[14]研究了圓形孔尺寸對(duì)復(fù)合穿孔管的影響，他們發(fā)現(xiàn)由于孔徑的尺寸，層壓板的厚度，纖維層數(shù)的不同，失效應(yīng)力和損傷機(jī)制存在較大差異，吸能效果也各不相同。Fathollah[15]，Wang Weiqiang 等[16]對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管做了軸向壓縮試驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)多孔管的失穩(wěn)模式與完整管相似，但多孔管的臨界載荷和剛度卻大大降低了。Liu Qiang等[17]又從穿孔復(fù)合管的孔徑尺寸，孔的形狀和孔的分布三方面對(duì)其承載能力和吸能特性進(jìn)行了研究。如圖5 所示?？椎拇笮?duì)峰值載荷無(wú)明顯影響；隨著孔形狀的不同，F(xiàn)max和SEA 在一定程度上也發(fā)生微小變化，但是帶有圓孔管件的SEA 小于帶有方形和菱形孔的SEA；單面、相鄰面和相對(duì)面三種不同的分布方式，峰值力幾乎保持恒定，比吸能僅與孔的數(shù)量有關(guān)與孔的分布無(wú)關(guān)。

圖5 穿孔管

與完整管的逐漸壓潰不同，在軸向壓縮工況下，誘導(dǎo)孔的存在使復(fù)合材料管件結(jié)構(gòu)發(fā)生局部屈曲，降低初始峰值載荷，引導(dǎo)管件結(jié)構(gòu)以可控的方式進(jìn)行吸能對(duì)研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耐撞設(shè)計(jì)具有重要意義。

2．3 幾何結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的能量吸收機(jī)理與壓潰形態(tài)不同于金屬結(jié)構(gòu)。纖維的斷裂及其擴(kuò)展方向、基體的開裂以及纖維與基體界面的連接強(qiáng)度是影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能量吸收機(jī)理和壓潰形態(tài)的因素[18-19]。由于其各向異性的材料性質(zhì)，精確的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)性能有重要影響。

國(guó)內(nèi)外一批學(xué)者對(duì)復(fù)合材料管件的截面形狀進(jìn)行了研究。王振等[20]探索了不同錐度(α)與層數(shù)(N)的比值(α／N)對(duì)比吸能和初始峰值載荷的影響。發(fā)現(xiàn)隨著α／N值的增大，比吸能和峰值載荷均減??；當(dāng)α／N＞0.5 時(shí)，錐管在壓潰過(guò)程中不再發(fā)生內(nèi)外分層。張惠鑫等[21]研究了圓錐形復(fù)合材料薄壁管的壓潰吸能特性，證實(shí)了圓管具有較為穩(wěn)定的失效模式和較好的吸能特性。董銀飛[22]，牟浩蕾等[23]對(duì)不同截面形狀的復(fù)合管在軸向壓潰載荷下的損傷能量吸收特性進(jìn)行了數(shù)值分析。如圖6 所示。結(jié)果表明，圓管的吸能能力最強(qiáng)，但其壓潰載荷峰值較大，而六邊形管在準(zhǔn)靜態(tài)壓潰和沖擊壓潰中均表現(xiàn)出較高的比吸能和較低的載荷，具有較好的綜合吸能性能。綜合評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，截面的邊數(shù)對(duì)吸能影響較大。對(duì)于邊數(shù)較少的四邊形，屈曲多為大面積褶皺，材料利用率低；截面邊數(shù)較多的構(gòu)件在屈曲過(guò)程中呈現(xiàn)逐漸塌陷狀態(tài)，材料利用率較高，吸能效果好。

圖6 不同截面形狀復(fù)合材料管準(zhǔn)靜態(tài)壓潰

從復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，薄壁管壁厚(t)、直徑(D)及長(zhǎng)度等被認(rèn)為是影響復(fù)合材料吸能性最基本的設(shè)計(jì)參數(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量研究。馮振宇等[24]的研究表明復(fù)合材料壁厚的不確定性對(duì)吸能特性的影響比內(nèi)徑的影響更為明顯。A. M. S. Elfetorif 等[25]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)增加的t／D可以提高能量吸收的能力。H. Hamada 等[26]研究了t／D比以及t和D的絕對(duì)值對(duì)復(fù)合管能量吸收行為的影響。結(jié)果表明，在t逐漸增加到2～3 mm 的臨界范圍內(nèi)SEA 隨之增加，超過(guò)此臨界范圍則減小。Ya Libo[27]和WangYifan等[28]在軸壓條件下研究了復(fù)合材料管件的壁厚和高度對(duì)破碎方式和變形的影響。結(jié)果表明所有管子以類似脆性壓裂破碎模式變形，層數(shù)多，長(zhǎng)度短會(huì)增大峰值載荷和疲勞強(qiáng)度，對(duì)吸能性產(chǎn)生積極影響。

對(duì)耐撞性的數(shù)值分析已經(jīng)有40 年，為了獲得滿意的的結(jié)果，研究人員必須進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)中不穩(wěn)定和不確定性因素使得有限元分析存在很大程度的經(jīng)驗(yàn)性和主觀性。受限于商用軟件計(jì)算時(shí)間和模型復(fù)雜性的限制，有限元分析已經(jīng)不適用于一些優(yōu)化設(shè)計(jì)程序集。因此，研究人員開始采用各種代理模型技術(shù)建立不同變量之間線性關(guān)系來(lái)代替冗長(zhǎng)的反復(fù)式、周期式分析。張哲繹等[29]在張惠鑫等[30]對(duì)圓錐管研究的基礎(chǔ)上，選擇錐形管上端直徑d為設(shè)計(jì)變量，采用響應(yīng)面法求解復(fù)合材料薄壁件的最優(yōu)吸能。李喆[2]等在H. Hamada 等[26]研究的基礎(chǔ)上以響應(yīng)表面法為基礎(chǔ)應(yīng)用序列二次規(guī)劃算法對(duì)吸能管管件的壁厚、截面長(zhǎng)度、管長(zhǎng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，求得在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的最適配比。張勇[31]，賀兵等[32]為全面地評(píng)價(jià)薄壁管件在多種影響因素下的耐撞性，在此基礎(chǔ)上以薄壁管件的厚度、半徑及長(zhǎng)度為設(shè)計(jì)變量，依托于此建立出高精度模型，提高優(yōu)化效率的同時(shí)，為減少工程成本提供可靠依據(jù)。

2．4 鋪層結(jié)構(gòu)

影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁件變形模式和壓潰載荷水平的因素有很多，其中纖維鋪設(shè)角度和纖維鋪設(shè)順序?qū)?fù)合材料的能量吸收特性影響較大，因此在工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛的重視[33-34]。

纖維鋪設(shè)方式的不同導(dǎo)致復(fù)合材料的軸向剛度不同，從而產(chǎn)生了破壞模式與破壞機(jī)理的差別。G. L. Farley[35]，R.Keal[36]和D. Hull 等[37]研究了玻璃纖維增強(qiáng)聚酯基圓管隨纖維鋪層角度改變對(duì)比吸能的影響，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維鋪層角度小于[65]0時(shí)，比吸能與鋪層角度成正比，高于[65]0時(shí)比吸能與鋪層角度成反比。龔俊杰[38]，羅敏等[33]研究了多個(gè)角度的纖維復(fù)合材料管在不同軸工況下的損傷影響，發(fā)現(xiàn)隨著鋪設(shè)角度θ的增大，纖維方向和圓管軸向之間的夾角增大，圓管軸向剛度下降，初始峰值載荷降低。解江等[39]分析了不同纖維鋪層角度對(duì)復(fù)合材料薄壁圓管軸向壓潰吸能特性的影響規(guī)律。結(jié)果如圖7 所示。當(dāng)纖維鋪層角度從[15]0增加到[90]0，在準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓潰下薄壁圓管的比吸能先增大，[75]0之后會(huì)有一定程度減小，但比吸能值仍然相對(duì)較大。

圖7 不同纖維鋪層角度對(duì)比吸能的影響

復(fù)合材料管件結(jié)構(gòu)的比吸能隨纖維鋪設(shè)角度的變化而改變，這主要是由于不同纖維纏繞角下殼體的軸向和徑向剛度不同，導(dǎo)致管件在軸向沖擊荷載下破壞模式和損傷機(jī)理不同。因此針對(duì)具有典型破壞過(guò)程的[±θ]5(θ=[15]0，[30]0，[45]0，[55]0，[65]0，[75]0)試件的能量吸收能力進(jìn)行了對(duì)比分析，見表1。

表1 典型纖維鋪設(shè)角度的失效特點(diǎn)

另外，目前有關(guān)纖維鋪設(shè)方式對(duì)復(fù)合材料薄壁管件吸能特性的影響研究主要集中在鋪層角度、成型工藝等方面，對(duì)鋪層順序的研究并不全面[40-41]。鋪層順序作為復(fù)合材料薄壁管件吸能特性的重要影響因素之一，很多學(xué)者對(duì)此展開了研究。張鵬飛[34，42]，王天宇等[41]首先對(duì)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)展開了研究，發(fā)現(xiàn)鋪層順序?qū)?fù)合材料受壓分層有較大影響，繼而影響分層后的屈曲強(qiáng)度。

解江等[40]在[0／90]3s鋪層方式的基礎(chǔ)上提出另兩種鋪層方式，如圖8 所示。結(jié)果表明，不同角度的鋪層交替，導(dǎo)致復(fù)合材料的軸向剛度不同，對(duì)結(jié)構(gòu)臨界屈曲載荷的影響較大。綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)00鋪層放在外層時(shí)，彎曲剛度增加并且層間剪應(yīng)力較大，材料主要表現(xiàn)為分層破壞，吸收能量較低；而在內(nèi)層時(shí)，材料破壞為橫向剪切模式，吸能較大。說(shuō)明纖維失效方式在結(jié)構(gòu)宏觀失效中占主導(dǎo)地位更有利于復(fù)合材料薄壁管件吸收能量。

圖8 鋪層示意圖

對(duì)于復(fù)合材料而言，鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化是設(shè)計(jì)中不可或缺的關(guān)鍵。合理的鋪層順序、鋪層角度及鋪層層數(shù)在同等條件下會(huì)提高薄壁件的臨界屈曲載荷，增強(qiáng)吸能能力。吳浩[43]、臧杰[44]、范志瑞等[45]對(duì)復(fù)合材料的鋪層角度與順序進(jìn)行了深入研究，尋求滿足可靠性與耐撞性要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)。吳浩考慮材料及載荷的不確定性，通過(guò)響應(yīng)面法和有限元法的結(jié)合，驗(yàn)證了可靠性優(yōu)化方法的有效性。在前人的驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，范志瑞，蘇尚彬以結(jié)構(gòu)屈曲載荷最大為目標(biāo)，對(duì)鋪層層數(shù)和鋪層順序進(jìn)行優(yōu)化。而臧杰運(yùn)用改進(jìn)的遺傳算法，解決遺傳算法過(guò)早收斂問(wèn)題，在滿足復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的前提下，以強(qiáng)度最大為目標(biāo)對(duì)鋪層角度進(jìn)行優(yōu)化。在進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)吸能性分析時(shí)，建立近似代理模型，用代理模型代替了原有的高精度分析模型，在提高仿真優(yōu)化效率的同時(shí)，又為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)吸能性提供保障。

3 復(fù)合材料薄壁管的材料影響

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管件在撞擊壓縮過(guò)程中表現(xiàn)出不同于金屬塑性變形的脆性破壞，失效模式和能量吸收能力纖維／基體材料成分、體積分?jǐn)?shù)、界面性能等都有密切關(guān)系，表現(xiàn)出很強(qiáng)的各項(xiàng)異性和非線性。

3．1 各種纖維的影響

首先是纖維極限應(yīng)變的影響。通常，纖維的斷裂應(yīng)變?cè)叫?，比吸能越大。?guó)內(nèi)外學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)碳纖維比玻璃纖維或芳綸纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料管具有更高的比吸能[46-47]。G. L.Farley[48]認(rèn)為，某種纖維增強(qiáng)的材料若想獲得最大的吸能能力，基體的斷裂應(yīng)變必須比纖維的斷裂應(yīng)變大。

其次是纖維剛度的影響。陳永剛[49]，馬曉靜等[50]對(duì)T300 和T700 碳纖維薄壁管的力學(xué)性能進(jìn)行了探究比較。發(fā)現(xiàn)T300 和T700 增強(qiáng)的復(fù)合材料的破壞形式明顯不同。G. L. Farley[48]研究了不同纖維材料的復(fù)合材料管，發(fā)現(xiàn)吸能特性在兩個(gè)強(qiáng)度范圍內(nèi)呈現(xiàn)相反的的趨勢(shì)。在75～210 GPa 范圍內(nèi)，試件破壞主要是層束彎曲，其次是斷裂破壞，復(fù)合材料吸能能力隨纖維剛度的增加而增強(qiáng)；而剛度在210～525 GPa 范圍內(nèi)時(shí)，吸能能力明顯隨剛度增加而減弱。而在在復(fù)合材料管的破壞模式相同的情況下，纖維剛度對(duì)能量吸收的影響沒有極限應(yīng)變影響大。

再者是纖維類型的影響。玻璃纖維、碳纖維增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料管是脆性的，軸壓破壞模式是碎片型或張開型，通過(guò)纖維的斷裂等破壞機(jī)理吸收大量能量[51]。最后是纖維密度的影響。密度低的纖維復(fù)合材料管會(huì)有較高的比吸能。這是因?yàn)楸任芏x為破壞單位質(zhì)量的材料耗散的能量，當(dāng)能量吸收相同時(shí)，密度越低比吸能越大。

目前關(guān)于纖維體積含量對(duì)比吸能的影響還不足，已有研究表明纖維體積含量的增加不一定總使比吸能增大。G. L.Farley[48]的研究表明，當(dāng)纖維體積含量在40%～70%范圍內(nèi)增加時(shí)，由于層間剪切強(qiáng)度降低，碳纖維／環(huán)氧的比吸能反而減小。一般纖維體積超過(guò)50%時(shí)，能量吸收能力基本保持不變[52]。

3．2 基體與界面的影響

樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中支持和固定纖維材料，傳遞纖維間載荷[53]。以環(huán)氧樹脂為例，具有良好耐水性、耐電性等優(yōu)點(diǎn)，特別是優(yōu)異工藝操作性而被廣泛使用。陳永剛等[49]對(duì)比了5288 和5268 環(huán)氧樹脂為基體的兩種復(fù)合材料薄壁管的力學(xué)性能。鄭志才等[53]研究了不同環(huán)氧樹脂含量對(duì)復(fù)合材料管軸向壓縮強(qiáng)度的影響，如圖9 所示。從圖中可以看出適當(dāng)?shù)脑黾訕渲坑欣谔岣吖芗妮S向壓縮強(qiáng)度。李世超等[54]以碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料為研究對(duì)象，研究其在超低溫情況下的力學(xué)性能，為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在特定情況下的應(yīng)用提供理論依據(jù)。已有研究表明基體的極限應(yīng)變?cè)酱?，脆性纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料能量吸收能力越強(qiáng)，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的能量吸收能力越弱。

圖9 不同樹脂含量的復(fù)合材料管的軸向壓縮強(qiáng)度

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面是增強(qiáng)纖維與基體材料之間的橋梁，也是應(yīng)力傳遞的紐帶。纖維的表面處理提高了纖維與樹脂的粘接強(qiáng)度，而粘接良好的復(fù)合材料又主要受基體損傷的控制。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維的表面進(jìn)行了改善，研究界面強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料破壞及力學(xué)性能的影響[55–57]。研究表明復(fù)合材料在強(qiáng)界面情況下發(fā)生脆性破壞，在弱界面情況下發(fā)生韌性破壞，且增強(qiáng)纖維對(duì)復(fù)合材料性能的增強(qiáng)效果與界面強(qiáng)度有關(guān)。

3．3 異質(zhì)材料的影響

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料依靠其比強(qiáng)度高、比剛度大、比吸能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已成為可以替代金屬材料的良好選擇。但其作為脆性材料，韌性較差，各向異性嚴(yán)重，失效模式不穩(wěn)定[58-59]。目前將復(fù)合材料分別與金屬材料、泡沫夾心材料相結(jié)合形成多材料體系管是一個(gè)新的研究方向。

纖維／金屬多材料體系管是指金屬與纖維材料通過(guò)一定的成型工藝緊密結(jié)合在一起的薄壁管體。其比剛度較好，兼顧剛性的同時(shí)可塑性也是值得認(rèn)同，并且在抗腐蝕性實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)突出。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)復(fù)合管以及其它類型復(fù)合材料管的吸能特性開展了大量工作，許多研究表明薄壁金屬管上纏繞復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱復(fù)合管)在軸向壓潰時(shí)比金屬管具有更大的比吸能率，并開始在吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中得到應(yīng)用[60]。Hwang Woo-Chae[61]和Shi Peilong等[62]研究了具有代表性的Al／碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)混合構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)Al／CFRP 混合管在準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮載荷下的失效模式呈現(xiàn)出兩種材料疊加的失效模式特征，內(nèi)部依靠金屬管的漸進(jìn)疊縮、層間和層內(nèi)裂紋拓展吸收能量，外部CFRP 層通過(guò)基體和纖維的斷裂、纖維彎曲吸收能量。M. R.Bambach[63]和R. Corin 等[64]研究了復(fù)合管的軸向失效行為，發(fā)現(xiàn)在一定的長(zhǎng)細(xì)比中，可以有效延緩鋼管局部屈曲，并導(dǎo)致混合管的峰值載荷和SEA 值顯著增加。Zhu Guohua 等[65]對(duì)比了如圖10 所示的三種混合方式的樣件在準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮實(shí)驗(yàn)條件下的失效形式和吸能特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明a 樣件的SEA 比b 樣件分別增加了40%和19%，比c 樣件分別增加了45%和29%。由上可知，碳纖維管內(nèi)嵌于金屬管吸能效果最佳。通過(guò)文獻(xiàn)看出大多數(shù)研究人員只專注于力學(xué)性能研究，很少有研究設(shè)計(jì)到復(fù)合管的優(yōu)化。H. W. Nam[66]和Peng Wenjie 等[67]采用多目標(biāo)設(shè)計(jì)對(duì)纖維增強(qiáng)金屬材料件的性能進(jìn)行了探索，為工程實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。D. S. Lee等[68]在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)了穩(wěn)健的多目標(biāo)優(yōu)化，改善纖維–金屬力學(xué)性能，提高承載能力。

圖10 不同混合形式的鋁／CFRP 混合圓管

對(duì)于金屬／CFRP 混合管來(lái)說(shuō)，CFRP 結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定局部屈曲失效模式可以通過(guò)金屬管的限制轉(zhuǎn)變?yōu)闈u進(jìn)式失效模式，而金屬管又因?yàn)镃FRP 結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)提升承載能力，從而改善整個(gè)混合結(jié)構(gòu)的能量吸收能力。

而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，是復(fù)合材料的一種特殊形式，是由具有高強(qiáng)度，高模量的蒙皮與低密度夾心結(jié)構(gòu)通過(guò)整體一次成型或者膠接二次成型[69]，研究表明充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能提升。

目前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾心結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于汽車碰撞裝置、軍用直升飛機(jī)墜落保護(hù)裝備和航天器軟著陸配件等領(lǐng)域。根據(jù)使用芯材的種類，可以分為泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，巴莎輕木夾芯結(jié)構(gòu)以及異型芯材夾芯結(jié)構(gòu)[70]，如圖11 所示。

圖11 夾心結(jié)構(gòu)中常見芯材

T. Thomas[71]和Wang Lijun 等[72]對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，與由相同材料制成且壁厚相同的整體板相比，蜂窩板的耐撞性更好?；诖?，范學(xué)明等[73]提出了一種玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為外壁的泡沫填充筒體。黃睿[74]和桂良進(jìn)等[75]將前人的理論運(yùn)用到泡沫填充管的軸向壓縮試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)與管的高度相比，管的壁厚與直徑對(duì)管的吸能性能有顯著影響，總體吸能效果比單純?cè)黾雍穸让黠@的多。對(duì)泡沫夾心結(jié)構(gòu)的研究表明，芯材與蒙皮結(jié)構(gòu)的合理結(jié)合可構(gòu)成一種很好的碰撞吸能結(jié)構(gòu)[76]。但是復(fù)合材料夾心結(jié)構(gòu)存在太多變量因素，蒙皮的厚度，高度，泡沫的填充密度，效果等都會(huì)影響碰撞吸能特性?；诖?，楊揚(yáng)等[77]采用ANSYS 對(duì)蜂窩夾心管內(nèi)外蒙皮及夾心高度進(jìn)行了優(yōu)化。修英姝等[78]在此基礎(chǔ)上開發(fā)了復(fù)雜問(wèn)題的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件系統(tǒng)，驗(yàn)證夾心結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的可靠性，在減輕質(zhì)量的同時(shí)，獲得較好的比吸能。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)吸收沖擊能的根本原因是其發(fā)生了細(xì)觀尺度的屈曲、損傷、斷裂和破壞。要了解復(fù)合材料薄壁件的破壞機(jī)理需要對(duì)復(fù)合材料單層板的破壞作深入研究。而影響復(fù)合材料單層板和層合結(jié)構(gòu)的細(xì)觀破壞形式的因素有很多，主要有纖維的種類、纖維的體積分?jǐn)?shù)、基體與界面的性能等。這些因素都與吸能性密切相關(guān)。掌握材料與工藝特性，分析復(fù)合材料薄壁件的破壞規(guī)律，選擇合適的參數(shù)配比，提高復(fù)合材料薄壁件的吸能特性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜述了近年來(lái)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁件的漸進(jìn)破碎吸能行為。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料軸向破碎過(guò)程中，斷裂破壞是吸收能量的主要因素。而斷裂破壞分為突變型和漸進(jìn)型兩種，突變型能量吸收較小，漸進(jìn)型依靠漸進(jìn)疊縮、層間和層內(nèi)裂紋拓展吸收大量能量。從復(fù)合材料的幾何機(jī)構(gòu)、材料、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述，可以看出，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的能量吸收機(jī)理和破壞模式遠(yuǎn)比金屬結(jié)構(gòu)件復(fù)雜、并有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步的深入研究。

(1)總結(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn)中的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料多為單向纖維結(jié)構(gòu)，對(duì)編織復(fù)合材料的性能還沒有充分地認(rèn)識(shí)。纖維材料的紡織結(jié)構(gòu)和不同類型纖維材料的混雜效應(yīng)以及界面的連接強(qiáng)度都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞模式和能量吸收能力產(chǎn)生不可忽視的影響。

(2)與金屬材料相比，復(fù)合材料的成本依然較高，特別是高性能復(fù)合材料。在目前的復(fù)合材料成型工藝中，熱固性樹脂仍是主要采用的成型工藝，這樣就不可避免地造成浪費(fèi)污染。同時(shí)在加工制造過(guò)程中，內(nèi)部會(huì)存在空隙、裂紋、纖維斷裂等肉眼無(wú)法觀察到的缺陷，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

(3)復(fù)合材料的各向異性決定了其吸能機(jī)理的復(fù)雜性，也表明影響其性能的因素有很多，從結(jié)構(gòu)形狀、幾何尺寸到加工工藝等都是不可忽略的。目前最準(zhǔn)確的性能研究是實(shí)驗(yàn)，但是面對(duì)周期長(zhǎng)、代價(jià)高、不可重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)等硬性缺點(diǎn)的存在，我們需要建立不同復(fù)合材料的數(shù)據(jù)庫(kù)，以便能夠用于數(shù)值模擬。