玻璃纤维增强复合板在水中冲击载荷下的响应与破坏研究
Dynamic Response and Failure Mode of Glass Fiber Reinforced Polymer Plates Subjected to Underwater Impulsive loads
玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，作为一种非金属材料，具有很高的比强度和比模量，在水雷的制造中得到广泛应用，使得鱼雷重量大大降低。在战场环境下，这些复合材料，除了要承受工作状态下的各类载荷，还要面临着水中爆炸及撞击载荷的巨大威胁。因此，开展研究玻璃纤维增强复合材料在的爆炸冲击载荷下的响应与破坏，显得十分必要。
数值仿真虽然能很好的模拟复合材料在爆炸载荷下的响应行为，但往往缺少验证[1]。一种爆炸激波管装置[2-4]，通过引爆小当量TNT产生水中冲击波载荷，可实现对纤维增强材料的水中冲击加载。相关研究发现，纤维断裂、基体开裂以及整体分层破坏与水中冲击载荷的强度有着密切联系[5]。该装置由于依赖对炸药的使用，实验过程存在一定的危险性。Tran等[6]采用了一种非药式等效水中爆炸冲击加载实验装置，对纤维增强复合材料开展了冲击毁伤实验与数值分析。Wei等[7]采用类似方法，研究了GFRP与PVC泡沫构成的夹芯板的水中冲击，指出夹芯板的动态响应过程中应变率效应十分明显，而且泡沫芯层能有效改善夹芯板的性能，尤其在后面板的冲量与维持整体刚度方面。
上述工作，丰富了复合材料动力学响应与毁伤研究，但相关实验数据仍然较为匮乏。本文利用等效中下爆炸冲击加载实验装置[8-9]，基于3D动态DIC测量方法[10-12]，针对某GFRP开展了水中冲击，得到了GFRP板的动力学响应过程与永久破坏模式。
1 等效水中爆炸冲击加载实验装置
等效水中爆炸冲击加载实验装置[8,13]原理示意图如图1，装置的核心部件是一个内部为圆锥形空腔的水靶舱。水靶舱侧壁有两个压力传感器安装口，用于安装压力传感器采集冲击波压力。采用一级轻气炮驱动并加速飞片，使之撞击活塞(活塞和飞片均为钢)，撞击产生的弹性波传入水靶舱内的水中，形成冲击波载荷并最终作用在靶板上。某一位置的水中冲击波压力峰值pmi与载荷冲量Imi可通过下式计算获得：
pmi=V0(D/Di)[sf/(s+f)]
(1)
Imi=pmiθ0
(2)
其中，V0为飞片撞击速度；D与Di分别为活塞直径与某位置的腔体直径；s与f分别为活塞与水的声阻抗；θ0为冲击波初始衰减时间常数：
θ0=-(2h/c)ln[(s-f)/(s+f)]
(3)
其中，h为活塞厚度，c为活塞中声速。
图1 水中冲击加载装置原理示意图
2 靶板样品
靶板为某高强玻璃纤维/环氧树脂复合材料，主要用于制作某水雷外壳壳体，基体为环氧树脂，玻璃纤维与树脂按照4∶6之比制作。制成后，靶板厚度约为3 mm。为了利用DIC方法测量GFRP板的实时变形，需要制作散斑场，如图2所示。
图2 GFRP板及其表面散斑场
3 3D动态DIC测量系统
基于DIC方法，结合等效水中爆炸冲击加载实验装置，搭建的3D动态DIC测量系统，如图3所示。两部高速摄影机成一定夹角，放置在靶板后侧约1.5 m处，调节摄影机处于水平并垂直于靶板。实验前采用标定板进行标定[3]，设置相机拍摄速率为50 000帧/s。在一级轻气炮出口处安装的触发传感器，实现对飞片撞击速度的测量以及压电传感器和高速相机的同步触发。
图3 3D动态DIC测量系统
4 实验结果与分析
4.1 动态响应
利用CSI公司研发的VIC-3D数字图像处理软件，处理计算实时散斑场。
图4是水下冲击载荷(I0=2.759 kPa·s)作用下GFRP靶板的典型毁伤过程。从图4中可明显观察到，在t=40 μs时，水靶舱内水中冲击波波阵面达到GFRP靶板，靶板开始产生变形。在响应初期GFRP靶板的变形形态与简单铝板的响应基本一致[10]，变形场也是由约束边界向中心呈现环形扩展的，靶板干表面的离面位移场在受载前期是逐渐增大的，如图4(a)～(d)。但是随着时间的推移，如图4(d)～(e)所示，最大离面位移从14.3 mm降为13.95 mm之后增加到19.5 mm，然后降至16.2 mm再增至19.55 mm，离面位移场呈现出十分明显的振荡现象，这极有可能是GFRP内部损伤，即基体层裂、纤维界面脱粘以及纤维断裂等因素造成的。当最大离面位移达到18.25 mm后，面内主应变约为0.017 2，GFRP靶板中心位置出现散斑脱落现象，在响应的最后阶段，如图4(m)～(q)，在法兰约束位置，GFRP板被剪断撕裂，但是没有明显的裂纹产生，靶板约束边界处局部被完全撕裂，之后CFRP靶板开始回弹，裂纹闭合，如图4(r)～(t)。
图4 水下冲击载荷(V0=157.8 m/s，p0=41.94 MPa)作用下GFRP的典型毁伤过程
4.2 破坏模式
图5是装配条件下GFRP在边界处的最终破坏形态，虽然GFRP靶板在法兰约束边界处存在剪裂毁伤情况，但在剪裂终端并没有明显的朝向靶板中心区域扩展的裂纹，并且干表面不存在明显的层裂等损伤特征。
图6是不同强度冲击载荷作用下GFRP靶板的毁伤情况，随着冲击载荷的增加，材料的损伤分别呈现出：
1) 如图6(a)与图6 (b)，在湿表面(受冲击面)约束边界附近，GFRP靶板内部出现严重的层裂损伤(颜色较浅部位)，并且载荷越大，层裂区域越明显，范围也越大；
2) 如图6(c)，在较强冲击载荷作用下，沿法兰约束边界处，湿表面局部被完全剪切断裂，且存在较小的层裂区域，四个呈“十”字对称的螺栓孔处出现裂纹。可以预见冲击载荷强度继续增大，受载区域沿约束边界位置极有可能完全剪裂。
图6(c)中(c.4)反映出湿表面剪裂处有大量纤维被拔出，这是由于法兰沿厚度方向剪切了一部分材料后，靶板整体变形，剪裂带将受到弯矩载荷致使材料被撕裂，这时纤维将会从基体中被剪断、拔出。从图6(c)中(c.6)反映出干表面剪裂终端玻璃纤维的拉伸破坏情况，有一定数量的纤维被拔出；图6(c)中(c.7)可以看出，边界的剪切断裂处的断口比较平整，出现了分层的趋势。
图5 GFRP靶板在边界处的毁伤形态
图6 不同冲击载荷作用下，GFRP的毁伤模式
5 结论
GFRP板在水中冲击载荷作用下，干表面的离面位移场表现出显著的振荡现象，实际是GFRP板的内部损伤，即基体层裂、纤维界面脱粘以及纤维断裂等损伤的宏观表现。
在本文3种典型强度的冲击加载条件下：低强度冲击时，GFRP板受载中心的变形宏观上呈现出线弹性，但约束边界处的材料内部层裂损伤显著；高强度冲击时，GFRP板很容易在约束边界出现剪裂撕裂破坏，断口截面平整且出现层裂损伤。
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