玻璃纤维增强乙烯树脂复合材料层合板锥形冲头碰撞试验研究

发布时间：2019-08-28 13:38

【摘要】：利用自行设计的摆锤试验装置,对玻璃纤维增强乙烯树脂复合材料层合板结构开展了低速碰撞试验研究。通过对比分析冲击力、试件背面中心点位移以及采用超声C扫描定损技术,对复合材料层合板的损伤特性进行了详细分析。试验表明,在一定碰撞能量下复合材料层合板受冲击面出现明显损伤,同时伴随着内部大范围的分层损伤现象的发生;随着碰撞能量的增加,层合板受冲击面损伤程度随之增加,背冲击面也由无明显损伤到出现基体开裂和纤维断裂的现象变化;层合板内部分层的面积与其吸收的能量有关。
【图文】：

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埽噤杓?了一套具备大冲击能量的摆锤式碰撞试验装置。通过比较分析试验过程中的冲击力、层合板碰撞中心点背面位移以及碰撞后的冲击损伤范围和程度，综合分析该层合板结构的抗碰撞性能。1复合材料层合板碰撞试验模型及试验装置本文采用钢质锥形冲头对3件复合材料层合板模型进行了不同能量的碰撞试验。试验模型为80层铺层的玻璃纤维增强乙烯树脂编织复合材料层合板，每层纤维均为0°与90°正交编织，总厚度为16mm，材料性能参数如表1所示，模型长宽尺寸为450mm×435mm。1.1摆锤碰撞试验装置摆锤试验装置的原理图如图1（a）所示，通过提升摆锤至预定高度后释放，摆锤在重力作用下获得冲击动量，撞击试件完成碰撞试验。摆锤试验装置实物图如图1（b）所示，主要由门型架、摆杆固定轴、摆锤头、电动葫芦、电磁释放装置、轴承、摆杆等部件组成。摆锤头的形式如图1（c）所示，锤头由钢质锥形冲头、加速度传感器、钢质锤体以及配重质量块组成。锤体重量为70kg，通过配重质量块可调节摆锤重量，钢质锥头直径为120mm。试验前通过调节摆锤头重量可调节碰撞能量。电磁释放装置与电动葫芦绳索相连，初始状态电磁释放装置通过磁力吸盘将摆杆吸住，当通过电动葫芦将摆锤提升至所需高度时，对电磁吸盘进行断电，摆锤在重力作用下开始摆动直到撞击到试件。表1玻璃纤维增强乙烯树脂复合材料层合板性能参数Tab.1Theperformanceparametersofglassfiberreinforcedvinylresincompositelaminatesρ/kg·m-3E11=E22/GPaE33/GPaυ12=υ13υ23G12=G13/GPaG23/GPa165021.521.50.120.283.183.18图1摆锤碰撞试验装置Fig.1Compositelaminatesimpacttestmodelinstallationdiagram·64·舰船科学技术第39卷

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1.2复合材料层合板试验模型安装方式碰撞试验中复合材料层合板采用四边固支的固定方式。复合材料层合板通过22个螺栓固定在夹具上，夹具由槽钢加工成的上夹具和2个“L”型的钢板构成的下夹具构成。然后将整个模型固定在由H型钢加工成的横梁上，横梁由4根立柱进行支撑固定。现场图如图2所示。2试验结果分析2.1试验工况试验工况见表2，在碰撞试验过程中测量冲头冲击力、试件背面中心点位移，试验结束后通过超声C扫描确定试件的损伤区域，并通过解剖的方式观察试件损伤的模式和程度。2.2试件损伤情况及分析2.2.1试件外观损伤情况碰撞试验中，3个试件受冲击面均有明显损伤，试件2试件3的背冲击面也发生了小范围的损伤，图3为3个试件碰撞后外观损伤情况照片。图3（a）中试件1被锥形冲头碰撞之后受冲击面表面出现了明显的损伤，在碰撞中心位置模型表面有些许凹陷，此区域纤维与基体都发生一定程度的损伤，同时以碰撞位置为中心，出现了长度为5～7cm十字型的4条裂纹。图3（d）中试件1碰撞中心背面局部区域（如实线圆圈所围区域）发生模型颜色明显变浅的现象，这可能是由于模型内部出现了损伤所导致。图3（b）中试件2受冲击面表面同样出现明显损伤，在撞击中心出现一定程度的凹陷，，且在撞击中心纤维与基体都发生损伤破坏。与试件1不同的是，围绕撞击中心出现了长度为7～8cm三条明显的裂纹，相比试件1的受冲击面裂纹长度要长，且在碰撞背面，基体和纤维也发生了断裂，如图3（e）中小实线圆所围区域，且在此区域外围一定范围内，如图中大虚线圈圈所围区域，同样发生了模型颜色变浅的现象。试件3破坏形式与试件1和试件2类似，但是无论受冲击面还是背冲击面，模型破坏程度都比试件1严重，在受冲击面以碰撞位置为中心，出现了?
【作者单位】：华中科技大学船舶与海洋工程学院;武汉第二船舶设计研究所;洛阳舰船材料研究所;
【分类号】：TB332

【参考文献】