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一、引言

 

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其高比剛度、比強(qiáng)度、耐腐蝕性及可設(shè)計(jì)性等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如機(jī)身面板、機(jī)翼蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等關(guān)鍵部件。然而，這些暴露在外的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)面臨冰雹沖擊的潛在威脅，可能引發(fā)分層、纖維斷裂等損傷，導(dǎo)致剩余力學(xué)性能顯著下降，威脅飛行安全。盡管冰雹沖擊的重要性日益凸顯，但相關(guān)研究仍遠(yuǎn)少于鳥撞等其他沖擊類型，尤其是針對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚合物編織復(fù)合材料的研究幾乎空白。現(xiàn)有研究多集中于金屬?gòu)椡杌虻退贈(zèng)_擊的損傷評(píng)估，而冰雹沖擊因冰體在撞擊過(guò)程中完全碎裂的特性，其損傷模式與加載過(guò)程與金屬?gòu)椡璐嬖陲@著差異。此外，高速冰沖擊后復(fù)合材料的剩余壓縮性能（如壓縮強(qiáng)度退化規(guī)律）尚未系統(tǒng)研究，實(shí)驗(yàn)方法也存在冰彈制備、分離裝置設(shè)計(jì)等技術(shù)瓶頸。

 

近日，Composites Science and Technology 期刊發(fā)表了一篇由哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天科學(xué)與力學(xué)系的研究團(tuán)隊(duì)完成的有關(guān)復(fù)合材料高速冰沖擊性能的研究成果。該研究提出了一種新型綜合測(cè)試系統(tǒng)與定量評(píng)估方法，用于分析平紋編織碳/環(huán)氧層合板在高速冰沖擊下的損傷機(jī)制與剩余壓縮性能，有效克服了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法的局限性。論文標(biāo)題為“A novel experimental approach for high-velocity ice impact resistance and tolerance investigation of composite laminates”。  圖片

 

 

二、測(cè)試方法與材料

 

該研究設(shè)計(jì)了一套創(chuàng)新的冰彈高速?zèng)_擊與沖擊后壓縮（Compression After High-velocity Ice Impact, CAHII）綜合測(cè)試系統(tǒng)，包含發(fā)射裝置、彈體分離裝置、試件夾具及多損傷信息采集系統(tǒng)。冰彈采用硅膠模具制備，直徑38毫米，平均重量25.80克，通過(guò)組合式彈托確保加速過(guò)程中冰彈完整性。

 

試件采用11層平紋編織碳/環(huán)氧樹脂層合板，尺寸為150毫米×100毫米，厚度4.4毫米。測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)高速3D數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation, DIC）技術(shù)記錄試件全場(chǎng)應(yīng)變與位移分布，并結(jié)合超聲C掃描和顯微觀察分析損傷特征。

 

圖1 (a) 球形冰彈丸模具和制備過(guò)程；(b) 冰彈與彈托兩部分的組合

 

圖2 復(fù)合材料試樣和細(xì)觀結(jié)構(gòu)

 

圖3 (a) 模擬冰雹高速?zèng)_擊測(cè)試系統(tǒng)示意圖；(b) 氣槍和分離系統(tǒng)；(c) 夾具系統(tǒng)以及 (d) 夾具設(shè)備圖

 

三、結(jié)果與討論

 

1. 冰彈失效過(guò)程與復(fù)合材料沖擊變形特性

 

高速攝像捕捉了冰彈撞擊層合板的動(dòng)態(tài)過(guò)程，其失效分為四個(gè)階段：未損傷階段、前端開裂階段、逐步碎裂階段及流體擴(kuò)散階段。冰彈在接觸后50微秒內(nèi)完全穿透，隨后轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)流體狀。試件中心區(qū)域的峰值位移隨沖擊能量增加呈線性增長(zhǎng)，并通過(guò)3D數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)量化了變形速率（Impact Deformation Rate，IDR）與位移分布。

 

圖4 3D 全場(chǎng)面外位移分布 (V = 155.02 m/s, E = 307.59 J)

 

圖5 (a) 計(jì)算區(qū)域示意圖和 (b) 面外位移曲線

 

2. 高速冰沖擊損傷特性與抗性分析

 

通過(guò)目視檢測(cè)、超聲C掃描和顯微觀察，研究人員將損傷模式分為五類：從無(wú)可見損傷到邊界貫穿分層。分層損傷比例（Delamination Damage Proportion, DDP）隨能量增加呈三階段變化，臨界能量閾值分別為247~286 J（分層起始）、307~311 J（背面纖維斷裂）及387~473 J（邊界貫穿分層）。

 

圖6 (a) 超聲 C 掃描圖像和 (b) 分層損傷比例結(jié)果

 

3. 高速冰沖擊后剩余壓縮性能分析

 

剩余壓縮強(qiáng)度（Residual Compressive Strength, RCS）隨沖擊能量呈指數(shù)下降，并提出預(yù)測(cè)模型。壓縮失效模式從局部剪切破壞過(guò)渡到全局分層屈曲，揭示了損傷演化與載荷分布的關(guān)聯(lián)性。

 

 

 

圖7 荷載-位移曲線、3D數(shù)字圖像中的應(yīng)變和位移分布：(a) V = 151.52 m/s, E = 298.45 J；(b) V = 165.43 m/s, E = 357.13 J；(c) V = 192.31 m/s, E = 473.37 J

 

4. 高速冰沖擊抗性與耐受性評(píng)估方法

 

基于剩余壓縮強(qiáng)度退化比例模型，提出了一種定量評(píng)估方法，通過(guò)臨界能量閾值（如剩余壓縮強(qiáng)度退化10%、30%、50%）對(duì)比不同復(fù)合材料的抗沖擊性能。該方法為標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了工程指導(dǎo)。

 

圖8 (a) 殘余壓縮強(qiáng)度退化率結(jié)果和 (b) 冰雹沖擊抗力和容差定量評(píng)價(jià)方法描述

 

四、結(jié)論

 

1. 設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)有效解決了冰彈制備、分離及非冰損傷干擾問(wèn)題，揭示了冰彈四個(gè)階段的失效過(guò)程及層合板變形特性。

 

2. 平紋編織層合板以分層為主導(dǎo)損傷機(jī)制，損傷閾值與剩余壓縮性能的退化規(guī)律顯著不同于金屬?gòu)棝_擊。

 

3. 建立的RCS預(yù)測(cè)模型與定量評(píng)估方法為復(fù)合材料抗冰雹沖擊性能的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

 

原始文獻(xiàn)：

 

Shangyang Yu, Jinzhao Huang, Jia Hu, Yan Wang, Junfeng Ding, Chenyang Song, Zhanguang Chen, Jikai Yu, Licheng Guo. A novel experimental approach for high-velocity ice impact resistance and tolerance investigation of composite laminates. *Composites Science and Technology*, 265 (2025) 111139.

 

原文鏈接：

 

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2025.111139