薄弱环节对复合材料吸能元件轴向压溃性能的影响综述

黄建城，王鑫伟

（南京航空航天大学 飞行器结构力学与控制教育部重点实验室，南京210016）

1 引 言

车辆的行驶安全[1-2]、船舶的碰撞搁浅[3-6]、直升机的抗坠毁[7-11]和航天器的软着陆[12]等都提出了结构的耐撞性要求，即在突发或特定的碰撞事件中，依靠结构元件可控的塑性变形（金属材料）或脆性断裂（复合材料）等破坏模式来缓冲碰撞时的冲击载荷，吸收和耗散大部分碰撞能量，从而确保乘员的生命安全。为了满足耐撞性结构系统轻量化发展的要求，需要采用具有良好吸能特性的新材料和新结构。

复合材料是可设计材料，且具有比强度高、比刚度大、热稳定性好等优越性能，已被广泛应用于航空航天、汽车、船舶和石化等工业领域[7]。近年来，复合材料结构的碰撞缓冲吸能特性成为了结构耐撞性研究的热点。试验研究[17-35]表明，合理设计的复合材料结构能够以可控的方式稳定渐进地吸收碰撞能量，比轻质金属结构具有更高的比能量吸收能力和更平稳的压溃载荷分布。试验结果同时表明，复合材料结构的吸能机理远比金属结构复杂，表现为结构元件的多种细观失效，包括纤维断裂、纤维屈曲、基体开裂、基体压碎、纤维脱粘和分层断裂等，其吸能能力不仅依赖于材料本身的性能（如纤维和基体的材料性能、纤维的构造形式、纤维的体积含量、纤维和基体的界面粘结强度等[13，17]），而且很大程度上依赖于控制吸能元件破坏模式的薄弱环节（trigger或initiator）。所谓薄弱环节是指对复合材料吸能元件进行端部处理，形成应力集中区或局部损伤，引导构件从该部位以稳定渐进的方式破坏。设置合理的薄弱环节不但可以降低碰撞时的最大冲击载荷，而且可以控制吸能元件的初始破坏模式，使结构以可控的方式稳定渐进破坏，从而提高结构的耐撞性能。否则，结构即使在碰撞过程中受到比较理想的载荷也有可能产生非稳定破坏，甚至基本不吸收能量。可见，如何设置合理、有效的薄弱环节，使复合材料结构元件按预定的渐进压溃模式破坏以尽可能多地吸收碰撞能量，是复合材料结构耐撞性设计的关键技术；研究薄弱环节对复合材料吸能元件轴向压溃性能的影响，在理论和工程上都具有重要意义。

本文将工程应用中典型的复合材料吸能元件分成闭式和开式两类，同时把近年来复合材料吸能元件耐撞性研究中常用的薄弱环节归纳为A型（arc trigger）、B型（bevel trigger/single chamfer）、D型（double chamfer）、H型（trigger H）、I型（trigger I）、SMA型（SMA trigger）和T型（tulip trigger）七种形式，在此基础上阐述吸能元件薄弱环节的几何特征、引发机制及薄弱环节对复合材料吸能元件轴向压溃性能的影响，并对今后的研究工作提出建议和展望。

2 闭式吸能元件的薄弱环节及其效能

2.1 圆管的薄弱环节及其效能

复合材料圆管轴向压溃的吸能能力比矩形管好[14-16]，正方形和长方形管件的比吸能分别为类似截面圆管的0.8倍和0.5倍[17]。正因如此，国内外关于复合材料结构元件的耐撞性研究大多选取圆管作为研究对象。为了获得较为平稳的轴向压溃过程和提高能量吸收能力，设置合理的薄弱环节非常重要。就目前报道的资料来看，复合材料圆管的薄弱环节主要有：B型、D型和SMA型。

2.1.1 B型薄弱环节及其效能

B型薄弱环节是指在结构元件的一端设计、加工倒角，以提高其吸能能力，如图1。这种薄弱环节设计简单，加工方便，而且与构件的固化成型无关，因而在复合材料结构元件的耐撞性研究中应用最为广泛[18-26]。

Thornton和Edwards[14，18]分别在石墨/环氧、玻璃/环氧、Kevlar/环氧复合材料圆管的端部加工45°倒角形成B型薄弱环节，试验结果显示端部倒角能较好引发初始失效，并引导构件从一端以稳定的方式压溃，从而获得比金属结构更高的比能量吸收能力。Farley[19]进一步指出，在石墨/环氧、玻璃/环氧、Kevlar/环氧复合材料圆管的端部加工倒角，不但不影响平均压溃载荷，而且能有效降低初始峰值载荷，防止构件发生整体性突发破坏。另外，在缝合复合材料圆管[20]和编织复合材料圆管[21-22]的轴向压溃中，该薄弱环节同样表现出较好的引发效果。

Sigalas等[23]和陈永刚等[24]进一步研究了B型薄弱环节倒角θ的变化对复合材料圆管轴向压溃性能的影响。Sigalas等从细观断裂的角度出发，研究了倒角为10°～90°时玻璃布/环氧复合材料圆管的吸能特性，发现：载荷—位移曲线在初始阶段基本呈线性关系，并且线段的斜率随倒角的增大而增大；薄弱环节的引发机制与倒角的倾斜程度密切相关。当倒角较小时（θ＜80°），在载荷作用下，倒角尖端的材料由于应力集中而弯曲，产生较短的裂纹，随着载荷的增加，裂纹沿周向扩展，材料先在管子的内壁横向剪切破坏，而后在外壁横向剪切破坏，形成正三角形状的劈尖，如图2；而当倒角θ≈80°时，在加载点附近产生很长的裂纹，并沿与轴线成30°角的周向迅速扩展，材料先在外壁横向剪切破坏，随后在内壁横向剪切破坏，形成同样的劈尖，如图3；随着压盘向下运动，劈尖被压碎、挤进管壁内部，形成碎片楔（debris wedge），进一步加载，碎片楔的根部将出现应力集中，引起环向裂纹的萌生、扩展，直到材料断裂、脱落，形成新劈尖，如图4；劈尖—碎片楔—新劈尖—新碎片楔，这一破坏模式周期性进行下去，从而形成渐进的压溃破坏过程。陈永刚等研究了15°、45°和60°倒角对碳纤维/环氧复合材料圆管初始失效的影响。他们发现，对应于不同倒角，由于接触状态不同，圆管产生了不同的初始失效方式，涉及到逐步分层、弯曲折断、层间开裂、以及剪切破坏等多种宏观失效方式，从而导致载荷-位移曲线发生变化。当倒角为60°时，试件的初始峰值载荷最高，载荷降低幅度最大，初始引发效果不理想；当倒角为15°时，引发距离过长，降低了结构的使用效率；当倒角为45°时，初始峰值载荷适中，引发距离短，用于引发初始失效最为理想。此外，倒角还影响结构稳态压溃的失效方式，15°倒角和45°倒角导致的稳态失效方式分别为中间主裂纹扩展和均布裂纹扩展。

图1 B型薄弱环节Fig.1 Bevel trigger

图2 θ＜80°的初始压溃过程[23]Fig.2 Initial crushing process forθ＜80°[23]

黄建城等[25]基于Chang-Chang失效准则，在LS-DYNA中建立了用于模拟复合材料圆管中面分层破坏的双层壳有限元模型，提出了B型薄弱环节的建模策略，确定了MAT_054复合材料损伤模型的失效参数。采用该有限元模型和模拟策略，能够较好地再现试验中观察到的复合材料圆管的宏观破坏模式，并且计算得到的压溃比应力—位移曲线和主要吸能参数也与试验结果基本一致。文献中为了较为准确地模拟复合材料圆管端部的B型薄弱环节，而不将单元划分得过细以免导致显式分析的时间增量过小，把倒角区分解成一个正方形和两个等腰直角三角形，如图5所示。其中每个等腰直角三角形由一个倾斜单元模拟，单元的厚度为该三角形的中位线长度，即t/4。从图5可以看出，内层和外层顶端的节点都朝圆管的内部平移了t/8，即倾斜单元厚度的一半，用于模拟倒角的倾斜程度。这种倒角的模拟方法与Matzenmiller和Schweizerhof[38]及EI-Hage等[39-40]推荐的方法相类似，他们采用了两层或三层逐渐变厚的等高单元模拟倒角，以降低初始峰值载荷并获得稳定的压溃过程，但是没有考虑倒角倾斜程度的影响。

图3 θ≥80°的初始压溃过程[23]Fig.3 Initial crushing process forθ≥80°[23]

图4 渐进压溃过程[23]Fig.4 Progressive crushing process[23]

图5 B型薄弱环节的模拟[25]Fig.5 Modeling of bevel trigger[25]

图6 D型薄弱环节[27]Fig.6 Double chamfer[27]

2.1.2 D型薄弱环节及其效能

宋宏伟等[27]研究了D型薄弱环节（如图7）对单向纤维缠绕成型的E玻璃/环氧复合材料圆管吸能特性的影响，并与B型薄弱环节和不含薄弱环节的吸能特性进行对比。研究表明：D型与B型一样，可以防止试件发生非稳态破坏，确保稳定压溃，逐步吸能；D型薄弱环节增加了削弱长度，在压溃初期，试件两端的倒角首先发生屈曲和破坏，载荷渐进增加，在削弱长度完全压实后，载荷达到峰值，因而能有效延长引发阶段和降低峰值载荷；与B型和不含薄弱环节相比，在持续压溃阶段，D型引发试件的“次引发端”（远离压缩面的一端）有较明显的损伤破坏，如图7（a）；D型薄弱环节引发试件的比吸能比B型的略低些，这是由于D型的引发段较长，对比吸能有削弱影响；不含薄弱环节试件的比吸能低于前两种引发方式，且在压溃阶段容易出现局部非稳态破坏，形成较大尺寸的破坏碎片，从而影响了能量吸收能力。

2.1.3 SMA薄弱环节及其效能

图7 不同薄弱环节对试件破坏行为的影响[27]Fig.7 Effect of trigger types on the crushing behavior of specimens[27]

龚俊杰等[28-29]基于Ni-Ti形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）的形状记忆效应，对埋入预拉伸SMA细丝玻璃布/环氧复合材料圆管（如图8）的轴向吸能特性进行了初步试验研究。文献指出：当温度上升到相变温度后，有预变形的SMA细丝将产生形状恢复，引起试件局部损伤，从而形成薄弱环节，如图9；在准静态轴向压溃试验中，所有试件均表现为稳定渐进压溃破坏，没有出现突发性脆性断裂或整体屈曲等非稳态破坏；埋入SMA的试件，无论SMA处于何种相位，其初始峰值载荷与不含SMA的相比均有较明显的下降；含有奥氏体相SMA试件的比吸能与不含SMA的相比稍有提高，但效果不明显。

图8 预埋SMA细丝试件（马氏体相）[28]Fig.8 Specimen with SMA(martensite phase)[28]

图9 预埋SMA细丝试件（奥氏体相）[28]Fig.9 Specimen with SMA(austenite phase)[28]

2.2 方管的薄弱环节及其效能

Thornton[30]从Kendall[41]的脆性材料压缩失效模型受到启发，提出了“T型薄弱环节”（Tulip Trigger），即将构件端部削斜，使其尖端线（Apex）垂直于纤维的铺层面。文献分别对不含薄弱环节、含有B型薄弱环节（如图10（a））、含有T型薄弱环节（如图10（b））的玻璃纤维增强复合材料矩形块试件进行了试验研究。研究表明：不含薄弱环节的试件，在45°整体剪切破坏前，载荷达到非常大并迅速回落，基本不吸收能量；含有B型薄弱环节的试件在压缩过程中出现一道或两道很大的中间穿透裂纹，随着裂纹的扩展，试件呈纵向撕裂破坏，初始峰值载荷有较明显的下降，载荷达到最大值后下降较快；而含有T型薄弱环节的试件在压缩过程中迅速生成许多微裂纹并稳定扩展，试件的一端呈“毛刷”状，载荷—位移曲线较平稳，吸收的能量明显增大。在此基础上，文献还研究了玻璃纤维/环氧复合材料挤拉成型方管分别在B型薄弱环节（如图11（a））和T型薄弱环节（如图11（b））引发下的轴向压溃性能。图12的载荷-位移曲线表明，两者的初始峰值载荷相当，但后者在达到初始峰值载荷前的轴向压缩量较大，且平均压溃载荷约是前者的两倍。随后，Thornton[31]研究了高应变率下复合材料管件的压溃行为，T型薄弱环节再次表现出比B型更加优越的引发效能。

图10 玻璃纤维增强复合材料矩形块试件Fig.10 GRP block specimens

图11 方管的薄弱环节Fig.11 Triggers of square tubes

Czaplicki和Thornton等[32]还比较了E玻璃纤维/聚酯、E玻璃纤维/乙烯基酯挤拉成型复合材料方管在B型和T型薄弱环节引发下的轴向压溃行为与能量吸收能力。发现：对于制作工艺、几何尺寸完全相同的试件，T型引发的轴向压溃过程更加平稳、可控，并且能量吸收能力大为提高，其中E玻璃纤维/乙烯基酯复合材料方管的能量吸收能力提高了将近一倍。文献认为这主要是由于在整个压溃过程中T型引发的试件由引发端开始沿轴向发生分层断裂破坏，特征断裂长度较短，破坏更加彻底，层束表面和压盘间的相对摩擦消耗了较多能量。

Jiménez等[33]研究了B型和T型薄弱环节倾角 α 的变化（α=30°、45°、60°）对E玻璃纤维/聚酯挤拉成型方管吸能能力的影响。为了方便加工和控制加工精度，文献中的T型薄弱环节与Thornton提出的T型略有不同，如图13。试验结果显示：采用B型薄弱环节时，倾角α对比吸能的影响很大，α=60°时比吸能最大，比30°、45°时提高约25%；而采用T型薄弱环节时，倾角α对初始峰值载荷和比吸能的影响都很小。

图12 不同薄弱环节引发下的载荷-位移曲线[30]Fig.12 Load-compression curves with bevel or tulip triggers[30]

图13 方管薄弱环节[33]Fig.13 Triggers of square tubes[33]

图14 工字梁薄弱环节[33]Fig.14 Triggers of I beams[33]

3 开式吸能元件的薄弱环节及其效能

3.1 工字梁的薄弱环节及其效能

Jiménez等[33]对工字梁在H型和I型薄弱环节（如图14）下的吸能能力展开了试验研究，并与方管的相应试验结果进行对比。试验结果显示：工字梁在不同的薄弱环节下比吸能基本相同，与薄弱环节的类型和倾角无关；虽然工字梁的比吸能比最好引发条件（B-60）下方管的比吸能低15%，但其初始峰值载荷却比方管降低了60%，并且工字梁可以避免像方管这种封闭式元件因材料碎屑堆积在管件内部而引起压实阶段的压溃载荷急剧上升。

3.2 波纹梁的薄弱环节及其效能

波纹梁（如图15）是飞机，尤其是直升机机身下部地板结构重要的缓冲吸能元件，其能量吸收能力直接关系到机体的耐撞性能。为了提高波纹梁的吸能能力，设置合理的薄弱环节至关重要。

Hanagud等[34]在石墨纤维/环氧复合材料波纹梁腹板的一端分别设置了三种薄弱环节，即倒角（Chamfer）、内置缺陷（Ply drop off）和V型切口（Notch），如图16。这里的内置缺陷是指在波纹梁端部沿长度方向少铺一到两层纤维形成的薄弱环节，其尖端线与纤维铺层平行，因而可与倒角一并归于B型薄弱环节；而V型切口的尖端线与纤维铺层垂直，故归类于T型薄弱环节。文献研究了这三种薄弱环节对波纹梁吸能能力的影响，发现：如果没有设置薄弱环节，波纹梁将在中间折断，基本不吸收能量；设置了薄弱环节后，尽管试件的承载能力略微下降，但能量吸收能力显著提高；当薄弱区域被完全压碎后，压溃载荷呈锯齿形波动，且波动幅度不大。在三种薄弱环节引发下，试件的宏观破坏模式几乎相同，因而文献认为试件的能量吸收能力与薄弱环节引起的细观破坏密切相关。

图15 波纹梁Fig.15 Waved beam

图16 波纹梁薄弱环节[34]Fig.16 Triggers of waved beams[34]

刘瑞同、王鑫伟等[35]通过3组碳纤维/环氧复合材料波纹梁试件的轴向准静态压溃试验，研究了上下端面圆弧（如图17）构成的A型薄弱环节对波纹梁吸能能力的影响。试验结果表明，压溃破坏首先从薄弱环节开始断裂，随后上端面的材料分层向反方向弯曲破坏；A型薄弱环节对峰值载荷的波动幅度影响较大，当圆弧半径R=0时峰值载荷最大，当R过大时会影响波纹梁的稳定性，故圆弧半径的选取应适当。在此基础上，龚俊杰和王鑫伟[36-37]采用MSC/DYTRAN进一步研究了不同薄弱环节设置对波纹梁初始峰值载荷、破坏模式及吸能能力的影响，发现当不设置薄弱环节时，波纹梁的峰值载荷比较大，引起元件崩溃型断裂，无法控制元件的破坏过程，吸能能力比较低；当设置的圆弧过渡半径比较大时，薄弱环节过于薄弱，波纹梁的初始破坏确实从该处开始，但初始峰值载荷很低，导致元件的静强度不足，而且其后产生了第二次比较大的峰值载荷，同样引起元件的崩溃型断裂。

图17 圆弧（A型）Fig.17 Arc(Arc trigger)

4 结 语

以上关于薄弱环节对吸能元件轴向压溃性能影响的研究多局限于试验探讨，且大部分在准静态加载的条件下进行。而事实上，纤维增强的复合材料是一类应变率敏感材料，其结构元件的吸能能力与压溃的速率相关，且撞击条件更接近于实际发生碰撞事故的情况，所以在下一步的研究工作中有必要考虑应变率效应对薄弱环节的引发机制及引发后结构元件的破坏模式和缓冲吸能能力的影响。

Thornton提出的T型薄弱环节在复合材料方管的轴向压溃中表现出比B型更加优越的缓冲吸能特性，最值得注意的是能量吸收能力提高了将近100%，并且该报道得到了Czaplicki的试验验证。倘若果真如此，确实值得大力推广应用。此结论在复合材料圆管中是否适用，有待进一步验证。

Gong和Wang等将预拉伸的SMA细丝埋入复合材料圆管的端部，巧妙地利用了SMA的形状记忆效应形成SMA薄弱环节。该薄弱环节的最大特点是：在SMA加温前，结构元件的强度、刚度并没有被削弱，甚至可能得到加强，仅在需要时通过改变温度使SMA恢复变形，形成薄弱环节，从而使结构尽可能地按渐进压溃模式损坏而吸收较多的能量。这种设计思想有望解决复合材料结构耐撞性设计中静强度（刚度）与耐撞性之间的矛盾，使结构元件既可以作为承力构件，又可以作为缓冲吸能元件满足耐撞性设计要求。因此，很有必要对SMA薄弱环节的原理和设计方法展开系统而深入的研究，具体包括：含SMA细丝复合材料结构的力学性能研究；SMA薄弱环节的设计策略、试件的制作方法及工艺研究；温度驱动系统的设计与研究；含SMA薄弱环节复合材料结构的力学模型及其耐撞性数值模拟和参数研究。

另外，传统的层合或缠绕复合材料结构在层与层之间存在纯基体区，即层与层之间没有纱线或纤维的联结，层间性能比较差，受力后容易分层而损坏。在航空航天领域对不分层复合材料的迫切需求下，一些发达国家投入大量的人力、物力研究成功了三维编织设备和三维异型整体编织技术。由三维异型整体编织成的复合材料结构，因纤维束的互锁而在厚度方向具有更高的损伤容限，更适用于功能-结构一体化的能量吸收结构。目前，国内外关于三维编织复合材料结构的耐撞性研究还处于起步阶段[21-22，42-44]，因此研究三维编织复合材料结构元件的轴向压溃性能和薄弱环节的设置将是一项富有挑战性的工作。

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