铺层角度和触发机制对碳纤维...管准静态轴向压缩性能的影响_陈东方.pdf

复合材料科学与工程：.铺层角度和触发机制对碳纤维复合材料六边形薄壁管准静态轴向压缩性能的影响陈东方，武海鹏，梁 钒，周 骐，宋显刚，田爱琴（.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛；.哈尔滨玻璃钢研究院有限公司，哈尔滨）摘要：复合材料六边形碳纤维薄壁管采用预浸料铺放和纤维缠绕组合工艺成型，并在管端部设置开槽、开孔不同形式的触发机制。对复合材料薄壁管进行准静态轴向压缩载荷实验，分析其变形模式和吸能机理，及铺层角度和触发机制对薄壁管比吸能和总吸能的影响。实验证明，相同触发机制下铺层角度的六边形薄壁管试件的比吸能和总吸能比、铺层角度试件高.、.、.，相同铺层角度下触发机制为开槽时的初始峰值载荷要高于开孔形式。关键词：铺层角度；触发机制；六边形复合材料薄壁管；轴向压缩；吸能；峰值载荷中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，；.，）：，.，.，：；收稿日期：基金项目：战略性国际科技创新合作重点专项（）；山东省重点研发计划（）作者简介：陈东方（），男，高级工程师，硕士研究生，主要从事复合材料部件研发方面的工作。通讯作者，武海鹏（），男，教授级高工，硕士研究生，主要从事复合材料结构设计和仿真方面的工作，.。前 言随着高速轨道交通迅速发展，防撞预警系统、安全弹性气囊、防撞梁等防撞击装置不断出现，防撞结构的被动安全设计仍然是现阶段保证人身安全的主要措施。除保证人、车安全性外，高速轨道交通需要对吸能装置进行轻量化设计和结构优化，研究薄壁吸能管有着重要的工程意义。目前常用的金属吸能结构通过发生稳定的弹塑性变形模式吸收耗散冲撞击能量，已广泛应用于防撞吸能结构。金属结构具有低成本、易加工装配连接的特点。随着防撞结构轻量化设计的需求增加，传统钢、铝合金吸能结构已难满足防撞吸能需求。纤维复合材料由于具有高的比强度、比刚度等力学特性，以及可设计性、轻量化特点，在轨道交通、航空 年第 期铺层角度和触发机制对碳纤维复合材料六边形薄壁管准静态轴向压缩性能的影响航天等领域应用越来越广泛。相比传统金属材料，复合材料能够提高结构的吸能能力，同时又具有减重效果。复合材料薄壁管结构吸能机理表征为通过复合材料纤维变形、基体开裂、纤维屈曲和断裂、层间分层等来吸收能量。冯振宇等基于 基体失效准则模拟复合材料方管轴向压缩载荷过程的破坏模式，表明方管破坏模式为纤维局部屈曲渐进失效；等对复合材料薄壁圆管进行准静态压缩试验，试验中 纤维层分别向内外两侧发生翻转变形，层面内出现大量裂纹；王爱军、万志敏等研究了不同铺层角度的玻璃 环氧薄壁圆管在轴向压缩载荷下的吸能特性；等对铺层形式的碳纤维增强复合材料进行了轴向准静态压溃试验和数值模拟，表明改变触发机制可以实现渐进失效的失效模式；等、以及 等开展了矩形、圆形和多边形不同截面形状的薄壁管准静态和动态冲击试验；研究了铺层角度变化的玻璃纤维聚酯圆管，发现铺层角度在 范围时，吸能性能随着角度增大而增加，在 范围时，吸能能力随着角度的增大而降低，但仍然大于 时的吸能值；通过准静态轴向压溃试验和仿真分析对比不同端部触发形式对复合材料薄壁 形柱结构吸能特性的影响，发现外倒角引发形式获得较低的初始峰值载荷；国内外学者研究了圆管、方管、三角形管、六边形管、多边形管等不同截面形状薄壁管吸能，证明多边形的棱线发生塑性铰变形主要起能量耗散作用。目前国内外对复合材料薄壁管吸能研究多为圆管和方管的轴向压缩变形，纤维角度的影响为单一角度增减变化对吸能性能的影响，未能考虑不同纤维角度组合和典型铺层对吸能管吸能效果和变形模式产生的影响；多边形复材管吸能和破坏机理复杂，现有研究大都针对金属多边管结构，且建立塑性铰和折现移动等理论研究。本文从六边形碳纤维复合材料薄壁管研究出发，制备了、四种不同铺层角度的复合材料层合试件，每种铺层角度的试件端部设置开槽、开孔两种触发机制，通过薄壁管轴向准静态压缩实验评价铺层角度和触发机制对比吸能、总吸能、峰值载荷的影响，同时分析多边形复合材料管吸能及破坏机理。复合材料六边形薄壁管试件工艺制备.原材料及工艺设备碳纤维：，日本东丽株式会社；环氧树脂：，南通星辰合成材料有限公司；预浸料：环氧，哈尔滨玻璃钢研究院有限公司；龙门式缠绕机：哈尔滨玻璃钢研究院有限公司。.模具设计复合材料制品固化产生热量，同时制品受热膨胀，将模具设计成内固化缠绕成型模具，使产品内部比外表面固化更早，有收缩补强的作用，同时提高生产效率。将模具设计如图 所示。图 内固化缠绕模具设计示意图.在模具两端增加钉盘，当纤维缠绕角度较小时，可以通过钉盘减少纤维回程距离，同时避免端部滑纱。.工艺制备六边形碳纤维复合材料薄壁管采用预浸料铺放和湿法缠绕工艺相结合，以实现不同角度组合成型。定义产品长度方向为。方向纤维采用预浸料铺放成型，保证纤维的角度满足设计要求。其余方向纤维采用缠绕成型实现，将浸润树脂后的碳纤维束缠绕在芯模上，如图 所示。图 湿法缠绕示意图.薄壁管组合工艺成型采用模具内固化形式并脱模，制得碳纤维薄壁管，如图 所示。年 月复合材料科学与工程图 制品示意图.试件加工将脱模后的产品切割成预先确定的长度。试件长为 ，壁厚为，外切圆直径为.。每种铺层角度的试件端部分别制成开槽、开孔的触发机制，共计 件试件，图 所示试件端部加工形式分别为开槽和开孔。图 试件端部触发机制示意图.试 验.试验设备万能试验机：型，红山试验机床。测绘软件：长春科新测绘有限公司。.材料参数六边形复合材料薄壁管材料采用碳纤维 环氧树脂，单向板参数如表 所示。表 碳纤维单向板参数 拉伸模量 拉伸强度 压缩模量 压缩强度 剪切模量 剪切强度 密度（）（轴向）（横向）（轴向）（横向）（轴向）（横向）（轴向）（横向）.试验过程依据 ，采用万能试验机对复合材料薄壁管进行轴向准静态压缩试验，如图 所示，将试件竖立放置在上下端刚性平台中心处，加载速度为 ，通过力、位移传感器记录数据，利用录像记录试件在不同位移时的变形模式。图 复合材料薄壁管试验示意图.为了表征薄壁管的轴向压缩吸能性能，采用如下指标：（）峰值载荷（），即压缩从初始至末端时的最大载荷。（）轴向压缩试验过程总吸能量值（）：（）（）式中：为试件行程的总位移量；（）为加载瞬时某点的载荷量值；为加载瞬时对应的位移量值。（）试件单位质量比吸能量值（）：（）式中：为总吸能量值；为试件质量。试验结果复合材料薄壁管的轴向准静态压缩过程分为弹性和压溃破坏两个阶段。复合材料的弹性阶段非常短暂，很快便进入破坏变形模式。复合材料纤维方向的比强度和比模量高于金属，但纤维横向的强度非常低，拉伸强度只有 左右。薄壁管进入破坏变形模式后，有纤维横向基体开裂、层间开裂、纤维屈曲、纤维断裂等不同破坏形式。.铺层角度试件铺层角度开槽和开孔试件端部在峰值载荷作用下的压溃现象如图 所示，压溃试验结果如图 所示，力位移曲线如图 所示。年第 期铺层角度和触发机制对碳纤维复合材料六边形薄壁管准静态轴向压缩性能的影响图 铺层角度开槽和开孔试件端部在峰值载荷作用下的压溃现象对比.图 铺层角度试件端部开槽、开孔的压溃试验结果.图 铺层角度试件端部开槽、开孔的力位移曲线.铺层角度 试件中的 方向纤维主要承受轴向载荷，方向纤维主要起到约束结构屈曲的作用。在轴向压缩的过程中，试件吸能方式以轴向纤维变形、局部屈曲、基体开裂和横向纤维基体开裂为主。从图 可以看出，在试件的峰值载荷阶段，开槽和开孔两种触发机制试件变形基本一致，均为触发装置处轴向纤维局部产生主裂纹并发生屈曲，纤维形成多束纤维束，分为向内向外弯曲，横向纤维间基体开裂后，沿着试件长度方向发生纤维堆积，然后轴向横向纤维间产生分层破坏，达到吸能效果。从压溃结果看出，由于铺层角度试件轴向刚度较大，在薄壁管的折线处逐步发生塑性铰变形，整体形成钻石变形模式。在轴向压缩过程中，轴向纤维间的基体首先开裂产生裂纹，并且纤维向内外倾倒产生局部屈曲；在六边形的折线拐角处出现层间开裂，这是由于 的铺层在拐角处无法抵抗剪切变形所致。工艺成型时，应该将的纤维放在中间层，的纤维放在最内和最外层，约束轴向纤维屈曲。试件端部触发机制开槽、开孔的总吸能值、比吸能和峰值分别为 和 、.和.、和 ，开槽形式分别比开孔形式高出.、.、.。.铺层角度试件铺层角度开槽和开孔试件端部在峰值载荷作用下的压溃现象如图 所示，试验压溃结果如图 所示，力位移曲线如图 所示。图 铺层角度开槽和开孔试件端部在峰值载荷作用下的压溃现象对比.图 铺层角度试件端部开槽、开孔的压溃试验结果.年 月复合材料科学与工程图 铺层角度试件端部开槽、开孔的力位移曲线.试件的纤维分布以轴向纤维为主，占总体积分数，其余方向纤维分数相当。在压缩试验进入塑性阶段出现峰值载荷时，纤维轴向基体开裂并发生屈曲，然后纤维横向基体开裂，层面内剪切基体破坏。试件属于典型复合材料铺层，在正交各方向均有纤维分布，轴向纤维基体、横向纤维基体、方向纤维基体均较为均匀地开裂，之后层间的剪切开裂，相比的铺层，增加 纤维角度可增加面内层间的剪切吸能效果。试件端部触发机制开槽、开孔的总吸能值、比吸能和峰值分别为 和、.和.、和 ，开槽情况分别比开孔情况高出.、.、.。.铺层角度试件铺层角度开槽和开孔试件端部在峰值载荷作用下的压溃现象如图 所示，压溃试验结果如图 所示，力位移曲线如图 所示。图 铺层角度开槽和开孔试件端部在峰值载荷作用下的压溃现象对比.图 铺层角度试件端部开槽、开孔的压溃试验结果.图 铺层角度试件端部开槽、开孔的力位移曲线.试件无轴向纤维和横向纤维分量，试件的轴向承载力较低，但由于面内剪切吸能高于横向基体开裂能力，所以比吸能和总吸能高于其他铺层角度试件。在压缩峰值载荷阶段，试件沿 产生裂纹，发生面内剪切吸能现象。试件随着压缩过程沿 方向纤维间产生裂纹并扩展，面内纤维基体开裂，继而在复材层间发生基体开裂。该种铺层轴向刚度较低，沿着折线没有发生塑性铰现象，整体呈塔式逐层压溃破坏。试件端部触发机制开槽、开孔的总吸能值、比吸能和峰值分别为 和 、.和.、和 ，开槽情况分别比开孔情况高出.、.、.。.铺层角度试件铺层角度 开槽和开孔试件端部在峰值载荷作用下的压溃现象如图 所示，压溃试验结果如图 所示，力位移曲线如图 所示。年第 期铺层角度和触发机制对碳纤维复合材料六边形薄壁管准静态轴向压缩性能的影响图 铺层角度开槽和开孔试件端部在峰值载荷作用下的压溃现象对比.图 铺层角度试件端部开槽、开孔的压溃试验结果.图 铺层角度试件端部开槽、开孔的力位移曲线.试件轴向纤维占，压缩开始，轴向纤维基体迅速开裂，然后 方向纤维发生基体开裂，峰值载荷时轴向纤维形成纤维束并向内外屈曲堆积。试件变形模式介于钻石模式和塔式模式之间，变形时沿着六边形折线发生塑性铰，轴向纤维屈曲弯折，纤维发生断裂，形成圈圈重叠的变形破坏模式。试件端部触发机制开槽、开孔的总吸能值、比吸能和峰值分别为 和、.和 、和 ，开槽情况分别比开孔情况高出.、.、.。试验结果对比分析对碳纤维六边形薄壁管不同铺层角度和触发机制的试件进行轴向准静态压缩试验，结果如表 所示。表 不同铺层角度和触发机制压缩试验的试验结果 铺层总吸能 开槽 开孔比吸能（）开槽 开孔峰值载荷 开槽 开孔 根据试验结果可以得出。（）相同触发机制、不同铺层角度试件的吸能对比触发机制为开槽情况下，铺层角度的试件比吸能和总吸能比、铺层角度的试件分别高出.、.、.；触发机制为开孔情况下，铺层角度的试件比吸能和总吸能比、铺层角度的试件分别高出.、.、.。铺层角度，试件主要依靠 方向的纤维、基体开裂和面内剪切基体开裂吸能，而复合材料的面内剪切性能高于纤维横向的基体开裂性能；铺层角度近似面内各向同性铺层，破坏形式较为均衡，吸能机理包括了纤维纵横向基体开裂、面内剪切基体开裂和层间开裂；和铺层角度以纵、横两 年 月复合材料科学与工程向纤维为主，纵向纤维基体吸能较低，容易产生开裂，不宜吸能，横向纤维的纵向刚度低，起到约束纵向纤维屈曲的作用，在压力作用下纤维容易产生轴向堆积，该种铺层角度的试件吸能以纤维基体开裂、轴向纤维屈曲变形和层间开裂为主，没有面内剪切吸能，所以吸能