玻璃纤维增强铝合金层板高速冲击损伤容限

陈勇，廖高健，任立海, 刘西

重庆理工大学 车辆工程学院 汽车零部件先进制造教育部重点实验室，重庆 400054

玻璃纤维增强铝合金(GLARE)层板，是一类由铝合金、玻璃纤维增强复合材料交替层压铺设而成的一种超混杂复合材料，广泛应用于国际航空工业，如空客A380机身设计[1-2]。飞机等航空器在服役过程中可能遭受子弹、引擎碎片等引起的高速冲击，引发灾难。因此，纤维金属层板冲击损伤容限研究吸引了众多学者的注意[3-10]。针对高速冲击，Ahmadi等[11]对不同厚度比的GLARE层板进行了高速冲击试验，结果表明GLARE层板的比穿透能与其金属-复合材料的体积比相关。Yaghoubi和Liaw[12]得到类似结论，GLARE 5的弹道极限与其金属-复合材料的体积比相关。Abdullah和Cantwell[13]通过高速冲击试验，发现采用2024-T3作为金属层的纤维金属层板(FMLs)比采用2024-O的抗冲击性能更优越。Yaghoubi和Liaw[14]弹道冲击试验结果表明，铝合金铺层的弯曲和拉伸变形是GLARE层板梁的主要吸能方式。Zarei等[15]对GLARE层板弹道冲击力学性能进行了试验和数值仿真研究，结果表明铝合金铺层的厚度和子弹弹头形状均会影响GLARE层板的弹道极限。

鉴于单次冲击可能不会对FMLs造成严重损伤，多次冲击则会导致损伤累积，Rajkumar等[16-17]对FMLs进行了低速重复冲击试验，结果发现采用玻璃纤维复合材料铺层的FMLs的吸能效果比采用碳纤维复合材料铺层更好。Morinière等[18]对低速重复冲击载荷下GLARE层板的损伤累积进行了试验研究，结果表明复合材料铺层的纤维损伤、基体断裂和分层损伤随着冲击次数的增加逐渐扩展。Tooski等[19]对GLARE层板在不同位置处的重复冲击进行了研究，结果表明金属铺层在GLARE层板抗重复冲击过程中发挥了重要作用。

综上，目前针对GLARE层板冲击损伤容限的研究主要集中在单次冲击方面，针对重复冲击损伤的研究也主要集中在低速冲击条件下，针对高速冲击载荷下的重复冲击研究极少。同时，针对GLARE层板的高速冲击试验也集中于靶板的中心位置，缺乏边、角位置处的边界效应影响分析。本文结合试验和数值仿真技术，对GLARE层板进行单次、多次重复弹道冲击试验，研究GLARE层板的冲击损伤耐久性及损伤容限。在GLARE层板靶板的中心位置、边位置和角位置分别进行冲击试验，研究约束效应对其冲击动态响应的影响规律。研究结果有望为航空工业选材和安全评估提供理论依据。

1 试件制作

本文以目前工程应用的一类典型标准层板——GLARE 3[20]为背景选取研究对象。GLARE 3由2024-T3铝合金、S2-glass/epoxy复合材料组成，铺设方式为[Al/0/90/Al/90/0/Al]。GLARE 3具有良好的耐疲劳和抗冲击特性，因此在实际工程中获得广泛应用。本文选取GLARE 3中的单胞铺设结构为研究对象，即[Al/0/90/Al]铺设结构。结合本文原材料(铝合金、复合材料预浸料)的实际厚度，为保证金属-复合材料铺层厚度比值适当，采用[Al/02/902/Al]铺设结构，如图 1所示。本文GLARE层板以2A12铝合金薄板与单向S2-glass/epoxy预浸料为原材料。铝合金由哈尔滨东轻铝合金有限公司提供，厚度为0.5 mm。S2-glass/epoxy预浸料由北京航材昌盛科技有限公司提供，厚度为0.15 mm。

GLARE层板冲击试验件由北京航材昌盛科技有限公司负责制作，制作过程如下：首先将铝合金板裁割成100 mm×100 mm的正方形板，再进行除尘、去油、去氧化层处理，然后选择处理后的2层铝合金板与4层单向S2-glass/epoxy预浸料按图 1方式叠层铺设。铝合金/复合材料铺层界面采用厚度为60 μm的聚丙烯 (Polypropylene) 薄膜充当粘结层。最后，将铺设好的所有铺层整体放入热压罐中，从室温加热到120 ℃，保持恒温4 h，再冷却至室温固化成型，固化压力为0.6 MPa。最终制成200 mm×200 mm×1.6 mm的GLARE方板。

2 试验方法

冲击试验采用气体炮进行，主要包括发射装置、测速装置、靶舱和配套的高速摄像系统，如图2所示。发射装置采用高压气体(氮气)驱动，通过调整充气压力，获得不同的子弹发射速度。子弹采用38CrSi钢材料制作，经过油淬硬化处理，保证整个冲击过程中子弹不发生塑性变形。每颗子弹的质量为29.40 g，子弹为圆柱形状，∅12.7 mm×30 mm。

每次试验中，GLARE靶板均通过刚性夹具(见图 3)固定，将靶板通过螺栓固定在刚性夹具中间，然后将安装好试件的夹具通过螺栓固定于靶舱内。除了靶板中心位置(Middle Point)，还在靶板靠近夹具边缘的边位置(Edge Point)和角位置(Corner Point)进行单次和重复冲击试验，分析GLARE层板冲击损伤容限。具体冲击位置如图4所示。

试验过程中，首先在中心位置进行单次冲击，并获取弹道极限速度；然后在中心位置、边位置和

角位置分别进行重复冲击，重复冲击速度低于中心位置冲击获取的弹道极限。针对重复冲击，采用相同子弹在同一位置对GLARE层板进行重复冲击，直至子弹穿透GLARE层板。

通过Photron FASTCAMSA5高速摄相机拍摄整个冲击过程，并通过高速相机拍摄的照片计算子弹的初始速度(Vi)和穿透靶板后的剩余速度(Vr)。为保证速度的可靠性，试验过程中同时采用激光测速系统测量子弹的初始速度，与相机测量结果对比，当两者误差小于0.02%时认为数据有效。子弹相机测速示意图如图 5所示：首先根据照片获取子弹在弹道上移动的距离(Δx)，然后结合相机帧数确定时间差(Δt=t2-t1)，由此计算速度。

3 试验结果

3.1 单次冲击损伤容限

弹道极限速度是评价某靶板在特定冲击条件下抗冲击性能的重要指标之一。通常采用临界穿透速度(V50)定义靶板的弹道极限速度，即子弹部分侵入靶板的最高速度和完全穿透靶板的最低速度的平均值[21]。中心位置撞击条件下，通过试验获取本文GLARE层板的弹道极限速度V50=89.61 m/s。此时，子弹剩余速度与初始速度可通过经典Recht-Ipson弹道极限方程[21]拟合为

(1)

式中：a和p为拟合参数，本文获取结果为a=0.53，p=2.64。拟合结果如图 6所示。通过初始速度和剩余速度计算子弹穿透GLARE层板后的动能损失Ea。由图 6可见，子弹能量损失随其初始速度的增加逐渐增大。可见，子弹冲击动能增大时，GLARE层板吸收的冲击能量也随之增大。

冲击结束后检查GLARE层板正面(迎向冲击面)、背面(背向冲击面)损伤模式。中心位置弹道冲击条件下，GLARE层板典型损伤模式如图7所示，图中分别给出冲击反弹、子弹临界击穿靶板和子弹穿透靶板3种典型试验结果。图中，箭头方向代表与该金属铺层相邻的复合材料铺层的纤维方向。

当子弹冲击速度低于GLARE层板弹道极限速度时，GLARE层板正面金属层发生成坑，并沿子弹四周发生圆形剪切断裂损伤(见图 7(a))。这是由于冲击过程中GLARE层板正面金属层与子弹接触区域在沿子弹横截面的边界位置形成局部剪应力所致。背面金属层则发生鼓包变形，并且形成单向裂纹(见图7(a))。同时，由于背面金属层发生的塑性变形明显大于相邻复合材料铺层的弹性变形，导致冲击位置附近GLARE层板背面金属层与其相邻的复合材料铺层发生脱胶损伤(见图 7(a))。另外，也可发现，GLARE层板背面金属层的单向裂纹方向与其相邻复合材料铺层的纤维方向相同。这是由于冲击载荷作用下，背面复合材料铺层由于变形引起基体拉伸损伤，进而导致纤维脱胶，脱胶处的复合材料承载能力急剧下降，最终导致该处金属层发生断裂损伤。

当子弹初始速度接近或等于GLARE层板弹道极限速度时，GLARE层板正面金属层发生剪切冲塞，冲塞区域为圆形，面积近似等于子弹横截面积，如图 7(b)所示。GLARE层板背面金属层则沿与其相邻复合材料铺层的纤维方向发生拉伸断裂损伤。同时，穿透导致背面金属层沿与其相邻复合材料铺层的横向方向产生了拉伸裂纹。另外，由于穿透导致复合材料铺层发生大变形，复合材料铺层所受应力超过纤维拉伸失效应力，最终形成纤维脆断(见图 7(b))。

当子弹初始速度高于GLARE层板弹道极限速度时，正面金属层由于剪切作用形成剪切冲塞，并可看到与正面金属层相邻的复合材料铺层发生了明显的纤维脆断(见图7 (c))失效。GLARE层板背面金属层发生了双向拉伸断裂损伤，并可观察到与背面金属层相邻的复合材料铺层发生了明显的纤维脱胶和纤维脆断失效(见图 7(c))。

由图 7也可发现，随着冲击速度的提高，GLARE层板背面的损伤面积逐渐增大。弹道冲击条件下，GLARE层板主要通过塑性变形、金属层断裂、脱胶和纤维脆断等方式释放吸收的冲击能量。GLARE层板的损伤模式与子弹初始速度密切相关，包括金属层裂纹、纤维脆断以及损伤面积等。

3.2 重复冲击损伤容限

1) 工况1 ，Vi≈72 m/s

基于中心位置撞击条件下GLARE层板的弹道极限速度(89.61 m/s)，首先采用72 m/s的初始速度进行重复冲击，以保证2次重复冲击的动能之和(76.41 J×2)近似等于101.96 m/s (见图7(c))的单次冲击动能(152.82 J)。

图 8为Vi≈72 m/s时中心位置重复冲击试验结果。第1次冲击(Vi=72.76 m/s)后，GLARE层板正面金属层发生成坑，并沿子弹边界产生临界环向裂纹；背面金属层产生临界单向裂纹。可见，第1次冲击过程中，GLARE层板主要通过塑性变形和金属层断裂吸收冲击能量。第2次冲击(Vi=72.68 m/s)后，GLARE 发生穿透，正面金属层沿第1次冲击后产生的环向裂纹区域形成剪切冲塞，并且在冲塞区域发生明显的复合材料拉伸断裂损伤；背面金属铺层沿第1次冲击后形成的单向裂纹进行裂纹扩展，并且GLARE层板中间的复合材料铺层在金属裂纹附近发生明显脱胶和纤维脆断失效(见图 8)。可见，第2次冲击过程中，GLARE层板主要依靠金属层断裂和复合材料损伤吸收冲击能量。

由图 7和图 8可见，重复冲击2次 (77.82 J+77.65 J)后，GLARE层板的损伤模式与单次冲击(152.82 J×1)后的损伤模式类似，如金属层断裂、金属-复合材料界面脱胶、复合材料损伤等。但重复冲击2次后，背面金属层裂纹长度明显比152.82 J单次冲击后的裂纹更长。虽然总冲击能量相当，但由于重复冲击产生了累积塑性变形，导致重复冲击条件下GLARE层板抵抗变形的能力下降，更多依赖损伤形式吸收冲击能量。

图 9为Vi≈72 m/s时角位置重复冲击试验结果。第1次冲击(Vi=72.23 m/s)后，GLARE层板便发生穿透，正面金属层发生剪切冲塞(见图9)，背面金属层发生圆形撕裂。角位置冲击过程中，由于夹具约束作用，GLARE层板靠近夹具区域变形小于远离夹具区域，导致子弹在冲击过程中发生偏转，背面金属层发生拉剪撕裂。

由图 8和图 9可见，Vi≈72 m/s重复冲击时，中心位置2次冲击后才发生穿透，角位置则1次穿透，证明角位置冲击时GLARE层板的弹道极限速度明显低于中心位置冲击结果(89.61 m/s)。可见约束效应对GLARE层板的弹道极限速度及抗重复冲击性能具有显著影响。由于约束效应，距离夹具较近的靶板区域弹塑性变形能力下降，更多依赖损伤形式释放吸收的冲击能量，因此更容易发生穿透。并且，约束效应也会导致冲击过程中GLARE层板的动态响应和损伤模式不同，如子弹偏转现象、背面金属圆形撕裂损伤模式等。

2) 工况2 ，Vi≈60 m/s

鉴于Vi≈72 m/s时，角位置冲击1次穿透，为更好地分析角位置重复冲击条件下GLARE层板的损伤累积效应，进一步采用Vi≈60 m/s分别在中心位置、边位置和角位置对GLARE层板进行重复冲击。

高铁CPⅢ网外业测量时每个测站观测12个或8个CPⅢ点，通过借鉴高铁外业测量的测站情况以及城市轨道交通由曲线段的通视距离，来分析研究地铁轨道控制网的自由测站观测控制点的具体数目[2]。通过计算当测站观测前后各两对共8个点时，控制点最大纵向间距大致是通视距离的2/3，当测站观测前后各3对共12个控制点时，控制点最大纵向间距大致是通视距离的2/5。根据表1中的通视距离，可以计算出测站观测12个或8个控制点时、曲线段的不同曲线半径下的控制点纵向间距最大值，结果见表2。

图 10为Vi≈60 m/s时中心位置重复冲击试验结果。第1次冲击后，GLARE层板正面发生成坑，背面则发生鼓包变形。第2次冲击后，GLARE层板正面金属层形成临界冲塞，背面则产生明显单向裂纹。第3次冲击后，GLARE层板发生穿透，正面形成剪切冲塞，背面产生拉伸开裂，并发生明显的复合材料纤维拉伸失效。可见，重复冲击条件下，当子弹冲击速度低于GLARE层板弹道极限时，GLARE层板首先通过塑性变形吸收冲击能量；随着冲击次数的累加，GLARE层板塑性变形能力逐渐下降，开始通过发生金属损伤以及复合材料损伤的形式吸收冲击能量，并且重复冲击使GLARE层板发生损伤累积并加速损伤扩展，导致GLARE层板抗冲击能力急剧下降，比未发生损伤时更容易被击穿。

图11为Vi≈60 m/s时边位置重复冲击试验结果。第1次、第2次冲击后GLARE的损伤模式与中心位置冲击条件下相似(见图10和图11)，主要发生塑性变形和金属裂纹损伤；第3剪切冲塞，背面金属层发生拉伸剪切失效，并可见明显的复合材料-金属界面脱胶以及纤维断裂失效。第1次冲击后，正面金属层成坑的深浅程度呈现不均匀性，背面则形成近似双曲线的弧形裂纹。由于夹具的约束作用，导致靶板在远离夹具区域可更多地依靠变形方式释放能量，因此成坑深度更浅。同理，由于变形的不均匀性，导致子弹穿透靶板过程中发生了明显的偏转现象，第2次冲击后背面金属层发生撕裂。

由图10～图12可见，Vi≈60 m/s重复冲击条件下，GLARE层板在角位置冲击比边位置和中心位置更容易发生穿透。综合单次、重复冲击次冲击后，GLARE层板发生穿透。并且，由于侧边位置离边界较近，导致GLARE层板发生塑性变形的能力不如中心位置冲击条件下，因此侧边位置第3次冲击时GLARE层板背面金属层发生了剪切冲塞，与其相邻的复合材料铺层则发生脆断失效。由此表明重复冲击条件下，GLARE层板在侧边位置比中心位置更容易发生击穿。

图12为Vi≈60 m/s时角位置重复冲击试验结果。第1次冲击后，GLARE正面金属层发生成坑，背面金属层发生环向裂纹，表明GLARE层板已经开始通过损伤形式吸收冲击能量；第2次冲击后GLARE层板发生穿透，正面金属层形成试验结果，可见边界效应对GLARE层板弹道冲击损伤行为具有重要影响。GLARE层板靠近夹具的边、角位置比中心位置更容易发生损伤甚至穿透。由于实际工程中的GLARE层板及其结构件通常为框架结构，因此有必要在靠近框架边、角的位置适当加强对GLARE层板及其结构件的冲击防护。

4 有限元数值仿真

4.1 铝合金铺层

铝合金材料采用Johnson-Cook强度模型[22]：

(2)

(3)

4.2 复合材料铺层

采用应变描述的三维Hashin准则[23]描述Glass/Epoxy复合材料的损伤模式：

(4)

纤维压缩损伤ε11<0时，

(5)

基体拉伸损伤ε22+ε33>0时，

(6)

基体压缩损伤ε22+ε33<0时，

(7)

复合材料铺层相关参数列于表 2。将该三维渐进复合材料损伤模型编写成VUMAT子程序，通过ABAQUS/Explicit求解器调用计算。

4.3 粘结层

采用粘结力-张开位移关系描述复合材料-金属铺层界面的粘结行为

表1 铝合金铺层材料参数Table 1 Parameters of aluminum layers

表2 S2-glass/epoxy复合材料铺层相关参数Table 2 Parameters of S2-glass/epoxy layer

(8)

式中：Γ为粘结应力矩阵；K为弹性刚度矩阵；δ为张开位移矩阵。采用二次应力准则描述粘结层的损伤初始,即

(9)

表3 粘结层相关参数Table 3 Parameters of cohesive layer

4.4 有限元模型

铝合金和复合材料铺层均采用C3D8R实体单元，子弹采用R3D4刚性单元。GLARE靶板四周固支，在子弹冲击区域进行网格细化。建立的典型有限元模型如图13所示。

4.5 数值计算结果

数值计算获取的89.61 m/s速度冲击条件下，GLARE层板的损伤模式与试验结果对比如图 14所示。当单元发生损伤失效后，进行单元删除，形成金属和复合材料铺层的断裂损伤。同时，子弹冲击区域GLARE层板的粘结层发生脱胶，与试验结果吻合度较好。可见，该数值仿真可较好地模拟高速冲击载荷下GLARE层板的损伤行为。进一步采用数值仿真获取的位移、应力结果直观分析冲击过程中GLARE层板的动态响应。图 15和图16分别为60.20 m/s冲击下GLARE层板的位移响应和应力响应云图。中心位置冲击时GLARE应力波由冲击点向四周对称传播，导致GLARE层板发生规则的对称变形；边、角位置冲击时板内应力波到达边界处时发生反射，形成应力波叠加效应，导致远离夹具端的变形区域面积明显大于靠近夹具端，进一步体现了边界约束效应对GLARE层板动态响应的影响。

5 结 论

结合试验和数值仿真方法，对单次、多次冲击载荷下GLARE层板的高速冲击损伤容限进行了研究，获取的主要结论如下：

1) 获取了中心位置冲击条件下GLARE层板的弹道极限方程曲线和损伤模式。弹道冲击条件下，GLARE层板损伤模式与子弹冲击速度相关，主要包括塑性变形、金属层断裂、金属-复合材料界面脱胶、纤维脆断等损伤模式。

2) 重复冲击导致GLARE层板发生损伤累积，变形能力逐渐下降。平头弹重复冲击条件下，当冲击初始速度低于GLARE层板弹道极限速度时，GLARE层板首先以发生塑性变形的形式吸收冲击能量；随着冲击次数的增加，GLARE层板变形能力逐渐下降，开始通过损伤的形式吸收能量；最后，GLARE层板由于损伤积累发生损伤扩展，抗冲击性能急剧下降，直至穿透。

3) 边界效应对GLARE层板抗弹道冲击性能具有重要影响。边界效应导致GLARE层板距离夹具较近区域的塑性变形比距离较远处更加明显，因此角位置冲击时比中心位置冲击时的弹道极限速度更低；重复冲击条件下，边、角位置的损伤累积效应比中心位置更加明显，更容易发生穿透。