兵器装备工程学报

玻璃纤维增强复合板在水中冲击载荷下的响应与破坏研究

分类:主编推荐 发布时间:2019-08-09 10:00 访问量:770

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本文引用格式:项大林,谢志丰,郭振,等.玻璃纤维增强复合板在水中冲击载荷下的响应与破坏研究[J].兵器装备工程学报,2019,40(6):177-180.

Citation format:XIANG Dalin,XIE Zhifeng,GUO Zhen, et al.Dynamic Response and Failure Mode of Glass Fiber Reinforced Polymer Plates Subjected to Underwater Impulsive loads[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2019,40(6):177-180.



作者简介:项大林(1985—),男,工学博士,工程师,主要从事冲击动力学研究。


玻璃纤维增强复合板在水中冲击载荷下的响应与破坏研究

项大林1,2,谢志丰1,郭 振1,肖士利1,荣吉利2

(1.北京宇航系统工程研究所, 北京 100076; 2.北京理工大学 宇航学院, 北京 100081)

摘要:采用水中冲击加载装置,结合数字图像相关方法,对玻璃纤维板进行了冲击加载实验研究,获得了靶板的实时离面位移场,分析了靶板的动态响应特点与永久破坏模式。结果表明,玻璃纤维增强复合材料板受载后,变形由约束边界向中心呈环形扩展,由于纤维板的内部层裂损伤,纤维板中心部位出现显著的变形震荡现象;在3种冲击强度下,纤维板呈现出两种典型的毁伤模式,即约束边界基体层裂与边界剪切撕裂。

关键词:冲击载荷;玻璃纤维板;离面位移场;层裂;撕裂


Dynamic Response and Failure Mode of Glass Fiber Reinforced Polymer Plates Subjected to Underwater Impulsive loads

XIANG Dalin1,2, XIE Zhifeng1, GUO Zhen1, XIAO Shili1, RONG Jili2

(1.Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering, Beijing 100076, China; 2.School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract: Underwater impact experiments of glass fiber reinforced polymer (GFRP) plate were carried out using an underwater impact loading device and a three-dimension(3D) dynamic digital image correlation(DIC) test systems. The out-of-plane displacements of GFRP targets were obtained. The dynamic response and permanent damage of GFRP plates were studied. The investigation shows that the deformation growth of the GFRP plates presents annulus expanding from the boundary to the center. Deformation vibration appears at the plate center due to matrix spallation fracture. There are two typical damage mode for GFRP plates, matrix cracking and tensile tearing at the clamped edges.

Key words impulsive loads; CFRP plates; out-of-plane displacements; fracture; tensile tearing


玻璃纤维增强复合材料(GFRP),作为一种非金属材料,具有很高的比强度和比模量,在水雷的制造中得到广泛应用,使得鱼雷重量大大降低。在战场环境下,这些复合材料,除了要承受工作状态下的各类载荷,还要面临着水中爆炸及撞击载荷的巨大威胁。因此,开展研究玻璃纤维增强复合材料在的爆炸冲击载荷下的响应与破坏,显得十分必要。

数值仿真虽然能很好的模拟复合材料在爆炸载荷下的响应行为,但往往缺少验证[1]。一种爆炸激波管装置[2-4],通过引爆小当量TNT产生水中冲击波载荷,可实现对纤维增强材料的水中冲击加载。相关研究发现,纤维断裂、基体开裂以及整体分层破坏与水中冲击载荷的强度有着密切联系[5]。该装置由于依赖对炸药的使用,实验过程存在一定的危险性。Tran等[6]采用了一种非药式等效水中爆炸冲击加载实验装置,对纤维增强复合材料开展了冲击毁伤实验与数值分析。Wei等[7]采用类似方法,研究了GFRP与PVC泡沫构成的夹芯板的水中冲击,指出夹芯板的动态响应过程中应变率效应十分明显,而且泡沫芯层能有效改善夹芯板的性能,尤其在后面板的冲量与维持整体刚度方面。

上述工作,丰富了复合材料动力学响应与毁伤研究,但相关实验数据仍然较为匮乏。本文利用等效中下爆炸冲击加载实验装置[8-9],基于3D动态DIC测量方法[10-12],针对某GFRP开展了水中冲击,得到了GFRP板的动力学响应过程与永久破坏模式。

1 等效水中爆炸冲击加载实验装置

等效水中爆炸冲击加载实验装置[8,13]原理示意图如图1,装置的核心部件是一个内部为圆锥形空腔的水靶舱。水靶舱侧壁有两个压力传感器安装口,用于安装压力传感器采集冲击波压力。采用一级轻气炮驱动并加速飞片,使之撞击活塞(活塞和飞片均为钢),撞击产生的弹性波传入水靶舱内的水中,形成冲击波载荷并最终作用在靶板上。某一位置的水中冲击波压力峰值pmi与载荷冲量Imi可通过下式计算获得:

pmi=V0(D/Di)[sf/(s+f)]

(1)

Imi=pmiθ0

(2)

其中,V0为飞片撞击速度;DDi分别为活塞直径与某位置的腔体直径;sf分别为活塞与水的声阻抗;θ0为冲击波初始衰减时间常数:

θ0=-(2h/c)ln[(s-f)/(s+f)]

(3)

其中,h为活塞厚度,c为活塞中声速。


图1 水中冲击加载装置原理示意图

2 靶板样品

靶板为某高强玻璃纤维/环氧树脂复合材料,主要用于制作某水雷外壳壳体,基体为环氧树脂,玻璃纤维与树脂按照4∶6之比制作。制成后,靶板厚度约为3 mm。为了利用DIC方法测量GFRP板的实时变形,需要制作散斑场,如图2所示。


图2 GFRP板及其表面散斑场

3 3D动态DIC测量系统

基于DIC方法,结合等效水中爆炸冲击加载实验装置,搭建的3D动态DIC测量系统,如图3所示。两部高速摄影机成一定夹角,放置在靶板后侧约1.5 m处,调节摄影机处于水平并垂直于靶板。实验前采用标定板进行标定[3],设置相机拍摄速率为50 000帧/s。在一级轻气炮出口处安装的触发传感器,实现对飞片撞击速度的测量以及压电传感器和高速相机的同步触发。


图3 3D动态DIC测量系统

4 实验结果与分析

4.1 动态响应

利用CSI公司研发的VIC-3D数字图像处理软件,处理计算实时散斑场。

图4是水下冲击载荷(I0=2.759 kPa·s)作用下GFRP靶板的典型毁伤过程。从图4中可明显观察到,在t=40 μs时,水靶舱内水中冲击波波阵面达到GFRP靶板,靶板开始产生变形。在响应初期GFRP靶板的变形形态与简单铝板的响应基本一致[10],变形场也是由约束边界向中心呈现环形扩展的,靶板干表面的离面位移场在受载前期是逐渐增大的,如图4(a)~(d)。但是随着时间的推移,如图4(d)~(e)所示,最大离面位移从14.3 mm降为13.95 mm之后增加到19.5 mm,然后降至16.2 mm再增至19.55 mm,离面位移场呈现出十分明显的振荡现象,这极有可能是GFRP内部损伤,即基体层裂、纤维界面脱粘以及纤维断裂等因素造成的。当最大离面位移达到18.25 mm后,面内主应变约为0.017 2,GFRP靶板中心位置出现散斑脱落现象,在响应的最后阶段,如图4(m)~(q),在法兰约束位置,GFRP板被剪断撕裂,但是没有明显的裂纹产生,靶板约束边界处局部被完全撕裂,之后CFRP靶板开始回弹,裂纹闭合,如图4(r)~(t)。


图4 水下冲击载荷(V0=157.8 m/s,p0=41.94 MPa)作用下GFRP的典型毁伤过程

4.2 破坏模式

图5是装配条件下GFRP在边界处的最终破坏形态,虽然GFRP靶板在法兰约束边界处存在剪裂毁伤情况,但在剪裂终端并没有明显的朝向靶板中心区域扩展的裂纹,并且干表面不存在明显的层裂等损伤特征。

图6是不同强度冲击载荷作用下GFRP靶板的毁伤情况,随着冲击载荷的增加,材料的损伤分别呈现出:

1) 如图6(a)与图6 (b),在湿表面(受冲击面)约束边界附近,GFRP靶板内部出现严重的层裂损伤(颜色较浅部位),并且载荷越大,层裂区域越明显,范围也越大;

2) 如图6(c),在较强冲击载荷作用下,沿法兰约束边界处,湿表面局部被完全剪切断裂,且存在较小的层裂区域,四个呈“十”字对称的螺栓孔处出现裂纹。可以预见冲击载荷强度继续增大,受载区域沿约束边界位置极有可能完全剪裂。

图6(c)中(c.4)反映出湿表面剪裂处有大量纤维被拔出,这是由于法兰沿厚度方向剪切了一部分材料后,靶板整体变形,剪裂带将受到弯矩载荷致使材料被撕裂,这时纤维将会从基体中被剪断、拔出。从图6(c)中(c.6)反映出干表面剪裂终端玻璃纤维的拉伸破坏情况,有一定数量的纤维被拔出;图6(c)中(c.7)可以看出,边界的剪切断裂处的断口比较平整,出现了分层的趋势。


图5 GFRP靶板在边界处的毁伤形态


图6 不同冲击载荷作用下,GFRP的毁伤模式

5 结论

GFRP板在水中冲击载荷作用下,干表面的离面位移场表现出显著的振荡现象,实际是GFRP板的内部损伤,即基体层裂、纤维界面脱粘以及纤维断裂等损伤的宏观表现。

在本文3种典型强度的冲击加载条件下:低强度冲击时,GFRP板受载中心的变形宏观上呈现出线弹性,但约束边界处的材料内部层裂损伤显著;高强度冲击时,GFRP板很容易在约束边界出现剪裂撕裂破坏,断口截面平整且出现层裂损伤。

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