摘要

碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）層合板在低速?zèng)_擊下易產(chǎn)生目視不可見損傷（BVID），導(dǎo)致剩余壓縮強(qiáng)度顯著下降，沖擊后壓縮（CAI）試驗(yàn)是評(píng)估其損傷容限的關(guān)鍵方法，但傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置易引發(fā)整體屈曲和邊緣壓潰，影響測試精度。

本文綜述了改進(jìn)型CAI試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原理、試驗(yàn)方法，以及鋪層順序反轉(zhuǎn)對(duì)薄型斜紋鋪層CFRP層合板低速?zèng)_擊響應(yīng)和沖擊后壓縮性能的影響，分析了不同鋪層結(jié)構(gòu)層合板的損傷演化規(guī)律和失效模式，為CFRP層合板的損傷容限設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法優(yōu)化提供參考。 

一、研究背景與意義

碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）層合板因高比強(qiáng)度、高比模量和設(shè)計(jì)靈活性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等對(duì)重量敏感的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。但該材料對(duì)低速?zèng)_擊高度敏感，即使是輕微的低速?zèng)_擊也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部分層、纖維斷裂、基體開裂等目視不可見損傷（BVID），這類損傷難以通過外觀檢測發(fā)現(xiàn)，卻會(huì)導(dǎo)致層合板剩余壓縮強(qiáng)度大幅降低，給復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維護(hù)和損傷容限設(shè)計(jì)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。沖擊后壓縮（CAI）試驗(yàn)是評(píng)估沖擊后CFRP層合板剩余強(qiáng)度、驗(yàn)證其損傷容限標(biāo)準(zhǔn)的核心手段，然而現(xiàn)有CAI試驗(yàn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)存在諸多局限性。不同標(biāo)準(zhǔn)（如波音BSS 7260、空客AITM 1-0010）的試驗(yàn)夾具邊界條件差異較大，且現(xiàn)有裝置多針對(duì)較厚層合板設(shè)計(jì)，用于2-5mm薄型層合板測試時(shí)，極易出現(xiàn)整體屈曲、加載邊緣壓潰等非材料本身的失效模式，導(dǎo)致測試結(jié)果無法真實(shí)反映層合板的剩余壓縮性能。同時(shí)，現(xiàn)有研究多聚焦于CFRP層合板剩余強(qiáng)度的預(yù)測與測量，對(duì)試驗(yàn)裝置影響測試結(jié)果的研究較少，且尚未探討對(duì)稱鋪層順序反轉(zhuǎn)這一簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變化對(duì)層合板CAI響應(yīng)的影響?；诖?，該研究設(shè)計(jì)了一款適用于薄型CFRP層合板的改進(jìn)型CAI試驗(yàn)裝置，并以兩種鋪層順序反轉(zhuǎn)的對(duì)稱斜紋鋪層CFRP層合板為研究對(duì)象，開展低速?zèng)_擊和CAI試驗(yàn)研究，填補(bǔ)了相關(guān)研究空白，為薄型CFRP層合板的試驗(yàn)方法優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支撐。

二、改進(jìn)型CAI試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與核心優(yōu)勢 

針對(duì)傳統(tǒng)CAI試驗(yàn)裝置用于薄型CFRP層合板測試時(shí)易出現(xiàn)整體屈曲和邊緣壓潰的問題，研究在波音BSS 7260標(biāo)準(zhǔn)夾具的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款改進(jìn)型CAI試驗(yàn)裝置，兼顧了測試的穩(wěn)定性、重復(fù)性和與標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。 

2.1 裝置設(shè)計(jì)原理

改進(jìn)型裝置保留了BSS 7260夾具的側(cè)面導(dǎo)向設(shè)計(jì)，核心改進(jìn)點(diǎn)是增加了兩對(duì)防屈曲鋼板，通過螺栓-螺母組件將試樣的上下加載邊緣夾緊（見圖1），區(qū)別于桑切斯-塞斯裝置的U型缺口板設(shè)計(jì)。沖擊試驗(yàn)后，在試樣距上下加載邊緣25mm、距側(cè)面邊緣30mm處鉆4個(gè)Φ12mm的通孔，采用M10×1.5的8.8級(jí)六角頭螺栓配合墊圈和螺母，以50N·m的扭矩交叉擰緊，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣邊緣的牢固夾緊。防屈曲鋼板的法蘭處設(shè)計(jì)有11×16mm的橢圓形槽，可在裝配時(shí)進(jìn)行微調(diào)，保證夾緊面與加載壓板平行。

圖1 改進(jìn)型裝置

2.2 核心優(yōu)勢 

與傳統(tǒng)CAI試驗(yàn)裝置和現(xiàn)有改進(jìn)方案相比，該裝置具有以下顯著優(yōu)勢： 

1. 有效抑制整體屈曲：通過夾緊試樣上下邊緣，縮短了試樣的無支撐標(biāo)距長度，大幅降低了壓縮載荷下整體屈曲的風(fēng)險(xiǎn)，確保失效由沖擊損傷區(qū)的面內(nèi)壓縮控制，而非結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。 

2.避免邊緣壓潰失效：螺栓-鋼板組合通過摩擦力和全厚度約束分擔(dān)部分載荷，而非僅依靠螺栓承壓，同時(shí)大墊圈式接觸面積分散了壓力，有效防止了加載邊緣的壓潰破壞，且螺栓孔未成為裂紋萌生的源頭。 3.兼容標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸：裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的CAI試樣尺寸，保留了完整的自由測量區(qū)域，與標(biāo)準(zhǔn)夾具的自由區(qū)域尺寸一致，無需改變?cè)嚇訋缀涡螤?，測試結(jié)果更具可比性。

4.提升測試重復(fù)性：通過標(biāo)定扭矩控制夾緊壓力，減少了試驗(yàn)操作中的人為誤差，且裝置可實(shí)現(xiàn)試樣的精準(zhǔn)對(duì)中，降低了載荷偏心和夾具誘導(dǎo)彎曲的影響，保證了剩余強(qiáng)度和剛度測量的可重復(fù)性。 相較于其他改進(jìn)方案，如添加豎向肋板、增大防屈曲支撐板面積等，該裝置無需定制復(fù)雜的專用結(jié)構(gòu)，加工和裝配簡便，更適合中小型薄型層合板試驗(yàn)研究，具有更強(qiáng)的工程實(shí)用性。 

三、試驗(yàn)材料與方法

3.1 試驗(yàn)材料 

研究采用手糊法制備兩種對(duì)稱斜紋鋪層的CFRP矩形層合板試樣，尺寸為150mm×100mm×4.52mm，基體為DERAKANE?470-30環(huán)氧乙烯基酯樹脂，增強(qiáng)相為碳纖維，樹脂體積分?jǐn)?shù)約30%。兩種鋪層結(jié)構(gòu)為鋪層順序反轉(zhuǎn)的對(duì)稱構(gòu)型（見圖2）：A型為[0/?45/45/90]s，外層為0°鋪層；B型為[90/45/?45/0]s，外層為90°鋪層。兩種試樣包含相同的鋪層角度，僅順序相反，其中一種的外層鋪層對(duì)應(yīng)另一種的內(nèi)層鋪層，用于孤立分析鋪層取向順序?qū)p傷發(fā)展和沖擊后壓縮性能的影響。 試樣經(jīng)室溫真空固化至完全聚合，嚴(yán)格控制纖維-樹脂比以降低實(shí)驗(yàn)變異性，保證所有試樣的厚度和纖維體積分?jǐn)?shù)均勻一致。 

圖2 兩種鋪層結(jié)構(gòu)為鋪層順序反轉(zhuǎn)的對(duì)稱構(gòu)型

3.2 試驗(yàn)流程與方法 

試驗(yàn)采用低速?zèng)_擊（LVI）和沖擊后壓縮（CAI）相結(jié)合的方法，完整試驗(yàn)流程見圖3，同時(shí)設(shè)置未沖擊試樣的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)作為基準(zhǔn)，每個(gè)工況至少測試3個(gè)試樣以保證統(tǒng)計(jì)有效性。

圖3 試驗(yàn)流程

1. 低速?zèng)_擊試驗(yàn)：采用實(shí)驗(yàn)室自制的儀器化落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)（見圖4），沖擊物為1.9kg的鋼制半球形彈丸（頭部直徑16mm），通過調(diào)整落高控制沖擊速度。試樣被牢固夾緊在100mm×75mm的矩形支撐窗口上，采用橡膠尖端夾具防止過度擰緊造成局部損傷。彈丸沖擊試樣中心，通過儀器記錄力-位移時(shí)程曲線，并轉(zhuǎn)換為沖擊能量，沖擊后回收彈丸避免多次撞擊。

圖4 落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)

2. BVID閾值確定：沖擊后靜置24h，待基體松弛和彈性恢復(fù)完成后，用深度計(jì)測量試樣的永久壓痕深度，以此定義BVID閾值。通過增量法確定沖擊速度：保持沖擊物質(zhì)量不變，以1m/s、3m/s、5m/s、6m/s的梯度增加沖擊速度，將產(chǎn)生可重復(fù)穩(wěn)定壓痕且近距離目視僅能觀察到輕微損傷的最低沖擊條件定為BVID閾值。最終確定6m/s（32J）為BVID級(jí)沖擊速度，此時(shí)A型試樣永久壓痕深度約0.8mm，B型約0.7mm。

3. 沖擊后壓縮試驗(yàn)：采用電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，按照BSS 7260標(biāo)準(zhǔn)的試樣尺寸和操作方法開展CAI試驗(yàn)，位移控制速率為0.5mm/min，連續(xù)記錄載荷-位移曲線。試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行對(duì)中檢查，若預(yù)加載時(shí)出現(xiàn)明顯偏心、非對(duì)稱接觸或提前面外變形，則重新裝夾，確保測試有效性。 

四、試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 低速?zèng)_擊響應(yīng)特性

兩種鋪層結(jié)構(gòu)的CFRP層合板在BVID級(jí)低速?zèng)_擊下的力-位移曲線具有相似的變化趨勢（見圖5），初始階段為線性彈性段，隨后斜率逐漸變緩，進(jìn)入第二線性段后振蕩幅度顯著增大，這一斜率變化約出現(xiàn)在6kN沖擊載荷處，對(duì)應(yīng)分層損傷的起始，此時(shí)試樣剛度下降，突發(fā)的分層擴(kuò)展導(dǎo)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)的振蕩幅度增加。整體而言，A型和B型試樣的沖擊響應(yīng)高度相似，峰值沖擊載荷和吸收能量基本一致，但存在兩點(diǎn)關(guān)鍵差異：一是B型試樣的沖擊有效剛度略高，力-位移曲線的初始斜率更陡，原因是B型外層為90°鋪層，0°纖維沿試樣寬度方向排列，提升了沖擊過程中的抗彎曲能力，而A型0°纖維沿長度方向排列；二是相同沖擊能量下，B型試樣的永久壓痕深度更?。?.7mm vs A型0.8mm），且BVID級(jí)沖擊下B型吸收的能量略高（32.5J vs A型31.7J），表明B型鋪層具有稍高的抗沖擊損傷能力，但更高的吸收能量也意味著其內(nèi)部分層區(qū)域可能略大。

圖5 BVID級(jí)低速?zèng)_擊下的力-位移曲線

4.2 沖擊后壓縮性能 

改進(jìn)型CAI試驗(yàn)裝置有效抑制了所有試樣的整體屈曲，無論是未沖擊還是沖擊損傷試樣，其失效均由材料本身的損傷（纖維屈曲、分層擴(kuò)展）控制，而非夾具誘導(dǎo)的失穩(wěn)或邊緣破壞，載荷-位移曲線呈現(xiàn)出“初始線性彈性-剛度逐漸損失-突發(fā)失效”的典型特征（見圖6）。  

圖6 載荷-位移曲線

1. 最大壓縮載荷變化 

未沖擊狀態(tài)下，B型試樣的平均最大壓縮載荷比A型高約7%，表明[90/45/?45/0]s鋪層在無損傷壓縮下具有輕微的承載優(yōu)勢。BVID級(jí)沖擊后，兩種鋪層的剩余壓縮強(qiáng)度均顯著下降，相較于各自的未沖擊基準(zhǔn)，峰值載荷均降低約22%，這一降幅與現(xiàn)有文獻(xiàn)中CFRP層合板BVID級(jí)沖擊后的強(qiáng)度損失規(guī)律一致，表明鋪層順序反轉(zhuǎn)對(duì)BVID損傷導(dǎo)致的強(qiáng)度損失率無顯著影響，兩種鋪層對(duì)沖擊相關(guān)的強(qiáng)度衰減具有相同的敏感性。 

2.壓縮剛度退化規(guī)律 

鋪層順序反轉(zhuǎn)對(duì)沖擊后的壓縮剛度退化產(chǎn)生了顯著影響：A型試樣沖擊后的平均壓縮剛度下降約17%，而B型僅下降約6%，二者剛度退化差異顯著。未沖擊狀態(tài)下，A型的初始剛度略低于B型，沖擊后A型剛度進(jìn)一步低于B型。 這一差異的核心原因在于鋪層結(jié)構(gòu)的載荷傳遞特性：A型的中間鋪層為90°（垂直于加載方向），沖擊造成的分層、基體裂紋等損傷使該橫向中間子層的剛度大幅降低，在壓縮載荷下易發(fā)生局部屈曲和軟化，導(dǎo)致整體剛度顯著下降；而B型的中面為0°鋪層，外層為±45°鋪層，沖擊后仍能保持穩(wěn)定的載荷傳遞架構(gòu)，剛度損失較小，展現(xiàn)出更優(yōu)異的沖擊后剛度保持能力。

4.3 失效模式分析

通過對(duì)試樣的失效形貌觀察（見圖7），發(fā)現(xiàn)鋪層順序反轉(zhuǎn)顯著影響了CFRP層合板在壓縮載荷下的損傷分布和失效模式，且沖擊損傷的存在改變了失效起始位置，具體表現(xiàn)為：

1. 未沖擊試樣：兩種鋪層均表現(xiàn)為以壓縮為主的失效模式，存在垂直于加載方向的分層裂紋和全厚度壓縮剪切裂紋，但表面損傷特征不同。A型試樣的外層0°鋪層主要發(fā)生沿纖維方向的分層和層間開裂，而背面90°外層鋪層因凸面彎曲產(chǎn)生明顯的屈曲帶和嚴(yán)重纖維斷裂；B型試樣的外層90°鋪層出現(xiàn)顯著的局部屈曲和向外鼓包，層間分層程度較A型更輕，失效以外層90°鋪層的開裂為主。 

2. 沖擊損傷試樣：所有沖擊試樣的失效均起始于沖擊區(qū)域，而非夾具邊緣或螺栓孔，證實(shí)了改進(jìn)型裝置的有效性。A型試樣沖擊后，外層0°鋪層基本保持完整，但沖擊凹坑周圍出現(xiàn)大量沿試樣長度方向的分層和基體裂紋，背面90°鋪層發(fā)生嚴(yán)重的纖維斷裂和大尺寸屈曲帶形成，壓縮失效主要由纖維屈曲主導(dǎo)；B型試樣沖擊后的分層主要沿90°纖維方向橫向擴(kuò)展，沖擊凹坑附近的90°鋪層出現(xiàn)屈曲帶并向外開裂，最終導(dǎo)致下層0°纖維斷裂，失效以外層90°鋪層的局部屈曲和開裂為主。 無論是未沖擊還是沖擊損傷試樣，最終均發(fā)生全厚度斷裂，涉及纖維屈曲、分層擴(kuò)展和基體開裂的復(fù)合失效模式，且螺栓孔周圍僅出現(xiàn)輕微的承壓痕跡，未引發(fā)裂紋萌生和擴(kuò)展，表明裝置的螺栓夾緊設(shè)計(jì)未引入新的失效機(jī)制。 

圖7 失效形貌

五、研究結(jié)論與工程啟示

5.1 核心研究結(jié)論 

該研究通過改進(jìn)型CAI試驗(yàn)裝置，系統(tǒng)研究了鋪層順序反轉(zhuǎn)的薄型斜紋鋪層CFRP層合板的低速?zèng)_擊響應(yīng)和沖擊后壓縮性能，得出以下關(guān)鍵結(jié)論：

1. 改進(jìn)型CAI裝置的有效性：該裝置通過側(cè)面導(dǎo)向+上下邊緣螺栓夾緊的混合邊界條件，成功抑制了薄型CFRP層合板在壓縮試驗(yàn)中的整體屈曲和邊緣壓潰，確保測試結(jié)果反映材料的真實(shí)損傷響應(yīng)，且裝置兼容標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸，加工裝配簡便，具有良好的工程實(shí)用性和測試重復(fù)性。

2. 鋪層順序?qū)嚎s性能的影響：對(duì)稱鋪層順序反轉(zhuǎn)對(duì)薄型CFRP層合板的壓縮性能具有選擇性影響：未沖擊狀態(tài)下，外層為90°的B型試樣承載能力略高；BVID級(jí)沖擊后，兩種鋪層的強(qiáng)度損失率均為22%，但A型剛度退化（17%）遠(yuǎn)高于B型（6%），B型鋪層的沖擊后剛度保持能力更優(yōu)。 

3. 鋪層順序?qū)κＪ降挠绊懀篈型[0/?45/45/90]s試樣易發(fā)生沿加載方向的大幅分層和背面90°鋪層的纖維斷裂；B型[90/45/?45/0]s試樣則表現(xiàn)為外層90°鋪層的局部屈曲和橫向分層，二者均為纖維屈曲、分層、基體開裂的復(fù)合失效，但損傷分布和演化路徑存在顯著差異。

4. BVID損傷的影響規(guī)律：BVID級(jí)低速?zèng)_擊雖僅產(chǎn)生輕微的永久壓痕，卻導(dǎo)致兩種鋪層的剩余壓縮強(qiáng)度大幅下降，且成為壓縮失效的起始點(diǎn)，改變了層合板的損傷演化路徑，證實(shí)了BVID損傷對(duì)CFRP層合板承載性能的顯著危害。

5.2 工程啟示

1. 試驗(yàn)方法優(yōu)化：對(duì)于厚度2-5mm的薄型CFRP層合板，開展CAI測試時(shí)需重點(diǎn)解決整體屈曲和邊緣壓潰問題，該研究提出的螺栓夾緊式防屈曲裝置為工程實(shí)踐提供了簡單可行的解決方案，可推廣應(yīng)用于不同鋪層、不同損傷程度的薄型FRP層合板剩余強(qiáng)度測試。

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)：在CFRP層合板的損傷容限設(shè)計(jì)中，可通過調(diào)整鋪層順序優(yōu)化沖擊后性能，對(duì)于對(duì)剛度保持能力有較高要求的結(jié)構(gòu)，優(yōu)先選擇將0°鋪層布置在中面、斜紋鋪層布置在表層的構(gòu)型（如B型[90/45/?45/0]s），以提升結(jié)構(gòu)在低速?zèng)_擊后的剛度穩(wěn)定性。 

3. 損傷檢測與維護(hù)：由于BVID損傷對(duì)CFRP層合板的剩余壓縮性能影響顯著，且難以通過外觀檢測發(fā)現(xiàn)，在航空航天等安全關(guān)鍵型結(jié)構(gòu)的維護(hù)中，需采用無損檢測技術(shù)（如超聲、CT掃描）對(duì)可能受到低速?zèng)_擊的區(qū)域進(jìn)行定期檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部損傷，避免結(jié)構(gòu)失效。 

六、研究展望

該研究雖實(shí)現(xiàn)了CAI試驗(yàn)裝置的優(yōu)化和鋪層順序影響的初步探究，但仍存在一定的局限性，未來可從以下方面開展進(jìn)一步研究： 

1. 拓展試驗(yàn)變量，研究不同厚度、不同鋪層角度、不同沖擊能量下薄型CFRP層合板的CAI響應(yīng)，建立更全面的性能數(shù)據(jù)庫，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)；

2. 結(jié)合數(shù)值模擬方法，建立考慮鋪層順序、沖擊損傷的CAI性能預(yù)測模型，揭示薄型CFRP層合板的損傷演化機(jī)理，實(shí)現(xiàn)剩余強(qiáng)度的精準(zhǔn)預(yù)測；

3. 基于改進(jìn)型試驗(yàn)裝置，開展標(biāo)準(zhǔn)化研究，推動(dòng)該方法納入相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提升薄型CFRP層合板CAI測試的規(guī)范性和可比性； 

4. 研究新型防屈曲夾具和測試方法，進(jìn)一步提升測試效率和精度，如開發(fā)無需鉆孔的夾緊裝置，減少試樣的預(yù)損傷。 

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。