CFRP薄壁管件耐撞性能的实验研究

李景彬

摘要：利用萬能试验机开展三点弯曲和准静态轴向压溃实验研究了CFRP薄壁管腔结构件的耐撞性能，结果表明准静态轴向压溃的比性能率为60～80kJ/kg，破坏形式为花瓣型；而三点弯曲实验说明管件的侧向吸能比较差。管件的轴向与侧向初始载荷峰值与厚度成等比例的增长，轴向和侧向的比吸能率略有提高；偏薄管件在轴向压溃过程中易发生局部屈曲，偏厚管件则趋向于稳定压溃吸能。

关键词：CFRP；耐撞性能；轴向压溃；三点弯曲

1.引言

碳纤维增强复合材料（Carbon Fibre Reinforced Plastic，CFRP）因其高比强度和比模量等特性作为轻量化材料广泛应用于航空航天和汽车工业等领域，在航空航天领域的主流应用为吸能和抗冲击结构，在汽车领域应用则主要是覆盖件或外包围件，基于碳纤维增强复合材料的良好耐撞性能，研究人员尝试将其应用于汽车的吸能结构[1]和车身结构，典型的案例如宝马的Megacity[2]和荷兰的SuperBus等。将CFRP材料应用于车身结构是汽车轻量化的新尝试，其减重效果明显[3]，但能否满足汽车车身结构的安全性能要求则有待验证。安全性能要求则从汽车碰撞的工况出发，分析结构的耐撞性能，而影响车身结构安全性能的碰撞工况主要是滚压工况和侧碰工况，结构件依此分解为轴向压溃和侧向的三点弯曲的力学行为。因此，本文开展了热压CFRP薄壁管腔结构件的耐撞性能实验研究，包括侧向三点弯曲实验和准静态轴向压溃实验，获得此类构件的轴向和侧向比吸能率等参数，研究比较了管壁厚度对构件耐撞性能的影响规律。

2.试件结构

试件为薄壁管腔结构，截面形状近似为双帽形，实物如图1（a）所示，详细尺寸见图1（b），其中合边厚度为2t，管腔壁厚为t，长度l为可变参数，其他参数见表1。样件由东丽T300平纹机织碳纤维布和EponDPL862环氧树脂在热压工艺下制作而成，固化剂为RSC763芳香胺固化剂。碳纤维管的碳布铺层均为[0]n，管件轴向为材料主轴（纵轴，1-direction）方向，厚度方向为法向（3-direction）方向，材料横轴（2-direction）方向由右手螺旋法则确定。轴向压溃和三点弯曲依铺层层数和厚度分为3组，每组样件制备3件。

准静态轴向压溃实验和侧向三点弯曲实验过程如图2所示，测试设备为新三思5305微机控制电液伺服万能实验机，轴向压溃实验的压头载荷速率为10mm/min，三点弯曲实验载荷为5mm/min，均为位移控制。微机自动记录力与位移曲线，使用DV录制实验过程，并拍照记录相关破坏情况。

（a）轴向压溃实验 （b）三点弯曲实验

图2碳纤维管件耐撞性能实验

3.实验结果与分析

样件实验结果如图3所示，（a）为准静态压溃实验的力与位移曲线图，（b）为侧向的三点弯曲结果，相应的耐撞性能参数见表2和表3。由表中数据可知，对于准静态轴向压溃，CFRP薄壁管件的比吸能率在60～80kJ/kg，比吸能率也随厚度逐渐增大，单位厚度递增量则逐渐减小，初始峰值载荷与厚度近似线性关系；对侧向的三点弯曲，比吸能率远低于轴向压溃，基本都在10kJ/kg以下，比吸能率和初始峰值载荷与厚度的关系类似于轴向压溃。

碳纤维管件的轴向吸能原理主要是通过类似于欧拉屈曲的管件断裂和材料的粉化吸能。以六层碳布管件为例，在初始接触时，管件端部发生屈曲现象，然后管件端部在倒角处开裂，层合材料开始向内外卷曲，成花瓣型（splaying）的破坏，压溃行程加深，材料逐渐断裂和不断粉化，渐进压溃至管件不再有压缩空间，见图4（a），反应在力与位移曲线上则为典型的渐进性压溃的特征；图（b）为部分三层碳布样件的压溃结果，可以明显看出压溃过程中出现局部屈曲，导致管壁形成块状断裂，异于偏厚管件的卷曲破坏形式，曲线上通常表现为力偏小且有明显下降，导致吸能减少。

（a）六层碳布破坏形式（花瓣型） （b）三层碳布破坏形式（有局部屈曲）

图4 CFRP薄壁管件轴向压溃的破坏形式

图5 CFRP薄壁管件三点弯曲的破坏形式

碳纤维管件的侧向吸能主要依靠管件在压头作用线下的材料断裂吸能，即环管壁断裂线的基体和纤维断裂吸能，如图5所示。由于三点弯曲破坏形式简单明确，厚度对此破坏形式没有表现出明显差异。

4.结论

通过对CFRP薄壁管件的开展准静态轴向压溃实验和侧向三点弯曲实验，获得样件的耐撞性能，轴向比吸能率在60～80kJ/kg，侧向比吸能率在10kJ/kg以下；厚度显著影响样件的耐撞性能参数，表现出随厚度增大而增大的趋势，并且厚度导致轴向破坏形式差异，偏薄管件易发生局部屈曲，降低管件吸能能力，偏厚管件则为典型渐进压溃和花瓣型破坏形式，但对三点弯曲破坏形式的影响可以忽略不计。

参考文献：

[1]L. Greve， A.K. Pickett， F. Payen. Experimental testing and phenomenological modelling of the fragmentation process of braided carbon/epoxy composite tubes under axial and oblique impact[J]. Composites： Part B， 2008（39）：1221–1232

[2]Jacob A. BMW counts on carbon fibre for its Megacity Vehicle[J]. Reinforced Plastics，2010（54）：38-41.

[3]Qiang Liu；Huanlin Xing；Yang Ju；Zhengyan Ou；Qing Li. Quasi-static axial crushing and transverse bending of double hat shaped CFRP tubes[J]. Composite Structures，2014（117）：1-11