確定復合材料結構的耐撞性需要多個層次的測試和分析，從試片級壓碎測試開始。

 

圖1. 與復合材料結構相關的耐撞性測試的積木式方法。

 

耐撞性可定義為結構在碰撞中提供受控能量吸收并保護其乘員免受過度力和峰值加速度的能力。一般來說，材料和幾何結構的選擇都會影響結構的? 破碎破壞機制和整體能量吸收能力。對我們大多數人來說，最熟悉的防撞結構是我們的汽車和卡車。

 

與主要通過塑性變形吸收能量的金屬不同，聚合物基復合材料(PMC)通過纖維和基體的脆性斷裂吸收能量。如果設計得當，復合材料結構可以保持完整，并能夠以穩定和漸進的方式發生壓碎破壞。此外，與金屬相比，PMC已被證明可以提高單位質量的能量吸收，稱為比能量吸收，因為它們的密度相對較低，并且能夠通過漸進式破碎吸收能量。一般來說，PMC的能量吸收能力取決于所使用的纖維和基體、層壓板配置（層取向和鋪層順序）和復合材料結構的設計。

 

我在2021年8月和12月的CW專欄中已經討論過，積木式方法是一個循序漸進的過程，可以作為設計復合結構的框架，同時降低風險和成本。圖1顯示了一個積木金字塔的例子，說明了與復合材料飛機結構相關的耐撞性測試水平。對于具有耐撞性要求的復合材料結構，測試和分析的復雜性會增加，而當達到更高的積木塊級別時，測試的數量會減少。目前，“復合材料手冊-17(CMH-17)”第3卷第16章對復合材料的耐撞性積木塊方法進行了最廣泛的介紹。

 

在本文中，將重點介紹這個積木金字塔的基層，其中大部分的試片級壓碎測試都是為了篩選復合材料和層壓板而進行的。這些測試提供了層壓板壓碎應力和比能量吸收計值，SEA定義為每單位質量壓碎材料的能量吸收。該積木塊的較高級別包括元件級、子部件級和全尺寸級壓碎測試，用于研究擬議復合材料結構特定部分的耐撞性。這些更高的積木塊級別將在下一篇文章中討論。

 

支柱元件的平試樣壓碎試驗

圖2.機身下部貨艙的橫截面

 

當開始評估復合材料結構的耐撞性時，通常會選擇試樣級試樣來代表預期復合材料壓碎結構的關鍵部分。在汽車行業中，復合管段已被用作試樣級測試物品，遵循使用管狀金屬結構的做法，當以相對穩定、手風琴狀的方式壓實時，這些管狀金屬結構會吸收能量。這種管段是自支撐的試驗品，因此在進行壓碎試驗時不需要復雜的試驗夾具。

 

近年來，CMH-17的耐撞性工作組一直專注于使用平試樣壓碎測試來測量層壓板的壓碎性能，并篩選候選復合材料層壓板的能量吸收。使用扁平試樣的一個原因是預期的應用：如圖2所示，支撐運輸機機身地板梁的C形通道形復合材料支柱。除了在飛機正常運行期間用作結構構件外，這些支柱還被確定為主要的吸能結構元件。如圖3所示，典型的C形通道支柱的橫截面由一個中心腹板部分和兩個通過兩個角區域連接的外凸緣部分組成。這種C形通道支柱提供了結構穩定性，并允許與飛機機身中相鄰的扁平結構齊平連接。

圖3. 典型C形通道支柱的橫截面，帶有代表性的壓碎試樣

 

CMH-17耐撞性工作組最近的重點是這些復合材料支柱的壓碎測試和數值壓碎模擬。迄今為止，人們一直致力于積木塊的試片和元件水平。在試樣層面，進行了平試樣壓碎測試，以確定所選碳纖維/環氧樹脂層壓板的層壓板水平壓碎響應。使用扁平試樣的一個優點是，它們可以從平板上切割下來，類似于其他機械試樣，從而大大簡化了制造。然而，與復合材料壓縮試樣類似，這些扁平壓碎試樣在壓碎試驗期間必須得到支撐，以防止屈曲。

圖4. 猶他大學扁平試樣壓碎試驗夾具和試樣

Engenuity有限公司（英國西薩塞克斯）和猶他大學（美國鹽湖城）進行的合作研究制造了測試夾具、常見的樣品幾何形狀和平板擠壓測試的測試程序。圖4顯示了為此類測試開發的猶他州扁平試樣壓碎試驗夾具。測試夾具端部的上支撐將扁平試樣壓在夾具底座上，下支撐防止試樣彎曲。上下支撐可調節，以允許對各種試樣厚度和標距長度進行壓碎測試。無支撐和銷支撐的測試夾具底座（圖3）分別用于表征破碎結構的平坦和彎曲區域。無支撐的基座使扁平試樣能夠自由壓碎，而銷釘支撐的基座則限制了扁平試樣的平面外變形和張開。

 

根據初始應力分析，選擇用于C形通道支柱的16層板配置由8個0°層、4個±45°層和4個90°層組成。根據之前使用類似碳纖維/環氧樹脂層壓板的壓碎測試結果，從這種層壓板配置中選擇了五種層鋪放順序進行平試樣壓碎測試：

 

• (902/±45/04)S中平面處的S剛性層
• (902/02/±45/02)S先前研究中的S高SEA
• (90/+45/02/90/-45/02)S層間分散，同時保持SEA
• (±45/902/04]S外層45°)S簾布層，之前研究中的SEA較高
• (±45/90/0/90/03)S外層45°簾布層，簾布層分散度更大

 

根據平試樣壓碎試驗的結果，選擇了兩個層壓板進行后續的C形通道壓碎試驗：(902/02/±45/02)S和(90/+45/02/90/-45/02)S。這兩個層合板都使用無支撐和銷支撐的基板表現出高能量吸收能力。請注意，兩種層壓板在層壓板中平面上共有四個0°層，這有助于在破碎過程中促進破碎破壞，這是一種高能量吸收破壞模式。

 

在平試樣外殼測試后，將結果提供給耐撞性工作組成員，用于進行初步壓碎分析。這種試樣級破碎分析允許估計建模參數和特性，這些參數和特性用于在更高的積木塊級別對漸進式破碎進行建模。在元件層面，分析團隊對C形通道支柱進行了壓碎試驗模擬，并在提供壓碎試驗結果之前對壓碎行為進行了盲預測。因此，這些初步的數值分析為數值分析方法和所選的輸入參數提供了初步評估。

 

后續文章將介紹復合材料耐撞性積木塊方法中的元件、子部件和部件級測試。

在前面討論的試樣級測試元件之后，子部件和部件測試是設計防撞復合材料結構的下一步。

圖1. 復合材料結構相關的耐撞性測試的積木式方法。

2024年11月的文章中，開始討論復合材料結構耐撞性測試的積木式方法。這種方法的特點是設計具有耐撞性要求的復合材料結構的多步驟過程，其中測試的復雜性增加，測試的數量減少。圖1所示的積木金字塔說明了與復合材料運輸機結構相關的前四個級別的耐撞性測試。

 

之前，專注于最初的試樣級壓碎測試，用于識別產生高壓碎應力和能量吸收值的復合材料層壓板和層板堆疊順序。通過該測試，確定了兩種碳纖維/環氧樹脂層壓板[902/02/±45/02]S和[90/+45/02/90/-45/02]S用于元件級測試。這些平試樣壓碎試驗結果也可用于確定與特定有限元分析（FEA-）方法相關的壓碎性能和建模參數。然而，試樣級耐撞性測試的數量和類型取決于所使用的數值建模方法。

 

在平試樣壓碎試驗后，將兩個選定復合材料層壓板的試驗結果提供給耐撞性工作組成員，用于對初始試樣級壓碎試驗進行有限元分析。這些初始的試樣級破碎模擬也用于建立建模參數和破碎相關特性，以預測更高構建塊水平下的漸進破碎。

 

在本專欄文中，我將重點介紹與積木塊的元件、子組件和組件級別相關的耐撞性測試。此外，將繼續關注商用航空業，復合材料手冊-17（CMH-17）耐撞性工作組正在為其進行構建塊練習并記錄。

 

元件級測試

 

該小組最近的重點是復合材料C形通道試樣的單元級壓碎試驗和數值壓碎模擬。這些結構代表了用于支撐運輸機機身下部貨艙地板的支柱。支柱的C形橫截面提供了結構穩定性，并允許與飛機機身中的相鄰結構齊平連接。除了在飛機正常運行期間充當結構件外，這些支柱在發生碰撞時還充當主要的吸能結構元件。

圖2. 猶他大學落震試驗塔用于C通道壓碎試驗

從元件級測試開始，通過將有限元分析預測與壓碎試驗結果進行比較，更加重視開發壓碎行為和能量吸收的預測能力。使用與平試件壓碎試驗相同的兩種復合材料疊層制造的C形通道試件進行元件級壓碎試驗。如圖2所示，使用猶他大學的垂直落塔進行了C通道壓碎測試。在試樣頂端加工了一個斜面形狀的觸發機構，以引發壓碎失效。使用兩個初始沖擊速度進行壓碎測試。如圖3所示，使用高速攝像機記錄了初始沖擊事件和漸進式壓碎行為。此外，在漸進式破碎過程中記錄了力與位移的數據，用于評估所研究的各種有限元分析方法的預測能力。

 

共使用了九種有限元建模方法來模擬C通道壓碎試驗。向分析小組提供了兩種層壓板配置的平試樣壓碎試驗結果以及C通道試樣幾何形狀和落震壓碎試驗信息。每個團隊都使用不同的數值建模方法進行了有限元分析，以預測C通道壓碎試樣的壓碎行為和由此產生的能量吸收。在分析團隊提交了對兩組C通道試樣的預測后，實驗壓碎試驗結果被分發給所有參與者。

 

子組件和組件測試

 

目前，CMH-17耐撞性工作組正專注于為類似于圖1積木塊所示的子部件級復合材料結構的數值建模建立最佳實踐。對于運輸機，該子部件是一個元件級結構的組件，其中包括之前就，積木塊級的主要能量吸收C通道元件。因此，未來的子部件級耐撞性測試和分析也將側重于子部件組件內元件的機械連接和由此產生的相互作用。

圖3. 使用高速攝像機記錄的復合C通道試樣的漸進式壓碎行為

 

除了評估擬議子部件配置的耐撞性外，還使用子部件級壓碎試驗來研究形成子部件的結構元件的相互作用。測試結果也可用于確保分析方法正確預測在壓碎測試期間觀察到的載荷傳遞和由此產生的結構元件壓碎行為。在設計子部件級耐撞結構時，通常會進行多個子部件壓碎試驗，以確保擬議的結構配置能夠按預期運行。

 

在積木塊的組件級別，對代表主要破碎結構重要部分的更大組件和子組件進行了測試和分析。在當前的CMH-17積木式演習中，候選組件級測試物品將包括飛機機身筒的一部分，如圖1所示。除了評估組件內元件級能量吸收特征的有效性外，還可以進行壓碎測試，以評估相鄰元件和子組件之間的連接。與構建塊的較低級別類似，測試結果用于驗證數值建模方法，包括輸入建模參數和與壓碎相關的屬性。

 

盡管圖1中的耐撞性構建塊中沒有顯示，但通常會進行全面測試作為最終的耐撞驗證測試。對于運輸機，可能的測試物品包括整個飛機機身的完整筒體或部分筒體部分。“復合材料手冊-17（CMH-17）1”第3卷第16章提供了有關復合材料耐撞構建塊方法的更多信息。

原文，1. 《Crashworthiness testing of composites: A building block approach, Part 1》 2024.10.18

2. 《Crashworthiness testing of composites: A building block approach, Part 2》 2025.1.15

楊超凡 2025.7.11