基于空气激波管的GFRP层合板抗爆性能研究_田锐.pdf

基于空气激波管的 GFP 层合板抗爆性能研究DOI:10.19936/ki.20968000.20220628.031基于空气激波管的 GFP 层合板抗爆性能研究田锐，魏刚*，张涵哲，吴华鹏，邓云飞(中国民航大学 航空工程学院，天津300300)摘要:基于激波管原理自制了 80 mm 口径的空气冲击波加载装置，并进行了冲击波峰值、速度等参数与破膜压力之间关系的标定。在此基础上，开展了 GFP 层合板抗爆性能研究，并用 3D 全场应变测量系统获取了层合板的动态响应过程。结果表明:使用空气激波管产生的冲击波可以合理模拟爆炸波的加载过程;在冲击波峰值压力为 0.933.93 MPa 之间时，GFP 层合板在冲击波加载过程中的挠度随冲击波压力的增大有 S 形增大的趋势，卸载之后残余变形很小;预制 2 mm 小孔的层合板在峰值压力为 3.5 MPa 的冲击波作用下，发生了撕裂破坏，说明初始损伤严重影响了 GFP 层合板的抗爆炸冲击能力。关键词:爆炸力学;空气激波管;GFP 层合板;抗爆性能中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:20968000(2023)03006808Study of the blast resistance of GFP laminates based on air shock tubeTIAN ui，WEI Gang*，ZHANG Hanzhe，WU Huapeng，DENG Yunfei(College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)Abstract:Based on the principle of shock tube，an 80 mm diameter air shock wave loading device was selfmade and the relevant parameters were calibrated for the relationship between the peak value and velocity of theshock wave and the breaking pressure of the film On this basis，a study of the blast resistance of GFP laminateswas carried out，and the dynamic response process of the laminates was obtained using a 3D fullfield strain meas-urement system The results show that the shock wave generated by using air shock tube can reasonably simulate theloading process of blast wave The deflection of GFP laminate during the shock wave loading increases according toStype trend with the increase of shock wave pressure between 0.93 MPa and 3.93 MPa，and the residual deforma-tion is not obvious after unloading The laminate with prefabricated 2 mm small holes suffered tear damage under theshock wave of peak pressure of 3.5 MPa，indicating that the initial damage seriously affected the blast impact capa-bility of the GFP laminateKey words:explosive mechanics;air shock tube;GFP laminate;blast resistance收稿日期:20220113基金项目:中国民航大学实验技术创新基金项目(2019CXJJ18);中央高校基本科研业务费项目中国民航大学专项资助(3122021047)作者简介:田锐(1996)，男，硕士研究生，主要从事复合材料冲击动力学方面的研究。通讯作者:魏刚(1987)，男，博士，讲师，主要从事冲击动力学和材料动态力学性能测试方面的研究。当今世界，恐怖袭击时有发生，恐怖袭击最常见的危害即为爆炸物对各种结构或人员的杀伤。在飞机设计或维修中，关键结构抵抗空气冲击波冲击毁伤的能力必须予以考虑。结构在空气冲击波载荷下的响应研究通常采用炸药爆炸的方式，这种方式对场地要求比较高，且试验成本非常高，对周围环境影响比较大，很难做到大规模试验，通常只能做一些验证性试验，作为结构设计的参考1。在高校实验室中，由于安全性问题，几乎不可能使用炸药开展试验。近年来，一些研究者提出可以使用激波管的原理，利用高压气体在管道内驱动低压气体产生冲击波，来开展空气冲击波加载的实验研究2。研究表明，合适地控制高压段与低压段的长度及管道的长径比，可以很容易地产生一个一维冲击波，实现可控的空气冲击波加载。因此，利用激波管的原理开展结构在空气冲击波加载下的响应研究是可行的。玻璃纤维增强塑料(GFP)层合板因其优异的比强度、比模量，独特的耐烧蚀性和隐蔽性，以及材料性能的可设计性和可扩展性，在航空航天和军事工业领域受到青睐，其制备方法灵活，易于加工，在快862023 年 3 月复合材料科学与工程速反应能力、高功率、大射程、精确打击等方面具有很大的应用潜力。GFP 的进步为武器系统选材和产品设计打下了坚实的基础，并在武器装备中得到了广泛的应用3。GFP 层合板在使用期间不可避免地会受到爆炸冲击波的作用。在爆炸冲击波作用下，GFP 会发生基体开裂、层间分层以及纤维断裂损伤，最终可能会导致层合板发生破裂45。这种损坏会严重降低层合板机械性能，从而损害防护设备的运行能力和安全性。复合材料层合板凭借多种失效模式及更低的断裂韧性，在遭受爆炸冲击波时表现出比金属更强的能量吸收能力6，吸引了许多学者进行研究。Tekalur 等7 使用激波管研究了不同冲击波压力下 GFP 及碳纤维增强塑料(CarbonFiber einforced Plastic，CFP)层合板的抗冲击性能，指出 CFP 层合板经历分层开裂及纤维断裂的突然失效，表现出渐进失效模式。Gargano 等8 通过炸药爆炸试验研究了海军舰艇用 GFP 及 CFP 层合板的抗冲击能力，结果表明 GFP 层合板产生了层间开裂及纤维断裂，具有更强的抗冲击能力，原因是 GFP 层合板具有更高的弯曲变形能力和层间断裂韧性。Schiffer 等9 研究了圆形 GFP 层合板在水下冲击波加载下的动态响应，结果表明层合板在弯曲变形过程中，中心区域会出现“空穴”现象。Mouritz10 研究了纤维体积含量对 GFP 层合板的抗水下爆炸冲击的影响，发现纤维体积含量对层合板失效模式无影响，但有较高的纤维体积含量的层合板抗冲击能力更强。Gargano 等11 使用层合板表面接触炸药的方式研究了纤维层合板抗冲击性能，研究表明爆炸会导致层合板局部损伤，纤维断裂和分层是层合板吸收爆炸冲击能量的重要方式;同时还发现与 CFP 相比，GFP 层合板由于爆炸造成的分层范围及冲孔面积更小。由文献资料可以看出，GFP 层合板在水下爆炸冲击波下的动态响应研究较为丰富，但是在空气爆炸冲击波作用下的实验仍然匮乏。本文利用激波管的原理进行空气冲击波加载研究，避免了使用炸药，仅使用普通压缩氮气(或空气)，危险性大大减小，对实验环境的要求也相应宽松很多，比较适合学校实验室开展结构在空气冲击波加载下的响应研究。同时基于 3DDIC 方法，获得了 GFP 层合板动态响应过程和破坏失效模式。1实验系统与方法本文中使用的激波管装置的有效长度为3 000mm，内径为 80 mm。激波管包含长度为 300 mm 的高压驱动段和长度为3 000 mm 的低压段两个部分，如图 1 所示。使用压缩氮气在高压驱动段产生高压，低压段部分保持大气压。使用聚酯膜片将两个部分隔开，聚酯薄膜作为膜片具有价格低廉、便于安装、易于控制破膜压力等优点12。实验时高压段持续加压，直到隔膜破裂，从而产生冲击波。隔膜的厚度决定了高压驱动部分产生的冲击波峰值压力的大小。选择单层厚度为 0.2 mm 的聚酯膜片进行实验，通过不同层数组合以达到产生不同压强的目的。图 1空气冲击波加载装置实物图Fig.1Physical diagram of air shock wave loading device三维数字图像相关法(3DDIC)用于监测靶板的变形过程。数字图像相关(DIC)是一种基于机器视觉的非干涉式、非接触全场应变测量方法13，基本原理是根据结构变形前后散斑图像的灰度分布信息进行相关计算，由匹配算法计算参考子区中心点的位移向量，从而获得测量点的位移和应变信息。3DDIC 是将双目立体视觉技术与 DIC 方法相结合以获得被测物体表面的三维运动信息，物体表面由两台相机以一定角度同步拍摄，如图 2 所示。通过分析两台相机记录的散斑照片，使用图像相关匹配算法还原被测物体表面各点变形前后的空间坐标，从而实现试件表面的三维重建及应变测量。本实验中，两台 Fastcam SAZ 型相机同步拍摄靶板的变形过程，相机拍摄帧率选择100 000帧/秒，图像分辨率为 384 像素384 像素。使用 VIC3D 软件对获取的图片进行计算即可获得靶板变形过程的定量数据。962023 年第 3 期基于空气激波管的 GFP 层合板抗爆性能研究图 2三维数字图像相关原理图Fig.23D digital image correlation schematic diagram2标定实验及结果分析由于在实际实验过程中，激波管中冲击波到达靶板的真实压力不易测得，所以有必要对膜片厚度、破膜压力、靶件处冲击波峰值以及冲击波速度进行标定。标定时在靶件处安装和靶架同尺寸的刚性靶(20 mm 厚度的高强钢板)，刚性靶中心处和距离中心 20 mm 处分别安装一个压力传感器，以测定靶件处的冲击波压力。在低压管靠近靶架处 200 mm 间隔安装两个压力传感器，以测定冲击波速度。传感器安装具体位置如图 1 所示。从图 3 可以看出，背面不同位置的传感器 1 和传感器 2 测到的压力历程曲线基本重合，说明本设备所产生的冲击波接近平面波14。从压力历程曲线形状也可以看出，压力脉冲信号基本符合爆炸波衰减规律，可以模拟爆炸波对结构的作用。图 4 是传感器 3 和传感器 4 获得的典型压力历程曲线，从中可以清晰地读出压力波前沿到达传感器 3 和传感器 4 的时间差，因此可以准确获得冲击波到达靶板前的速度。通过进行不同层数膜片的标定实验，可以获得膜片厚度、破膜压力、靶件处冲击波峰值以及冲击波速度之间的对应关系，标定数据见表 1。图 3背面传感器典型压力历程曲线Fig.3Typical pressurehistory curves of the back sensors图 4侧面测速用压力传感器测到的典型压力历程曲线Fig.4Typical pressurehistory curves measured bypressure sensors for side velocity measurement表 1空气冲击波加载设备标定数据Table 1Air shock wave loading equipment calibration data序号编号膜片总厚度/mm破膜压力/MPa冲击波峰值/MPa平台压力/MPa冲击波波速/(m