摘　要：以兩種曲φ120含鋼內村增強纖維纏繞筒為研究對象(一種為純玻璃纖維纏繞筒，另一種為玻、碳纖維混合纏繞筒)，進行落錘沖擊試驗、三點彎曲試驗和懸臂彎曲試驗．研究這兩種含鋼內襯的不同纖維纏繞筒在橫向低速沖擊下的抗沖擊性能。對比試驗表明，玻．碳混合纏繞筒的整體剛度比純玻璃纖維纏繞筒高。懸臂彎曲試驗中純玻璃纖維纏繞筒和玻、碳混合纏繞筒的鋼內襯主應力隨載荷的變化率分別為64.39MPa/kN和79.77 MPa/kN，表明玻、碳混合纏繞筒的鋼內襯對外載荷更為敏感，鋼內村的抗沖擊能力下降。

關鍵詞：鋼內襯；增強纖維纏繞；橫向低速沖擊：抗沖擊性能

　　含內襯纖維纏繞結構因為強度高、質量輕和氣密性好等特點已廣泛應用于高壓容器．常規武器發射裝置及航空航天領域中。含內村纖維纏繞結構的沖擊損傷問題一直是國內外研究的熱點。目前，許多研究工作者對這種結構沖擊過程中的損傷機理開展了大量的研究工作，王小永分析航天系統對纖維纏繞，命屬內襯壓力容器的壽命要求，強調容器的疲勞壽命主要由金屬內襯決定。周麗軍、張善元等研究了自由圓管經受剛性平頭彈體橫向沖擊時的動力學行為，具體分析了自由圓管在橫向沖擊下的變形歷程、終的變形模態以及能量的分配方式等。林再文、李濤等對玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維3種常用的增強材料及其增強的薄壁金屬內襯復合材料壓力容器進行對比研究．研究了3種壓力容器的設計方法。陸賽華，鐘宏志研究了兩端自由圓柱薄殼橫向局部沖擊作用下的瞬態響應。賀成紅、張佐光考察了玻璃纖維(GFRP)，碳纖維(CFRP)，芳綸纖維(AFRP)和聚乙烯PE纖維(DFRP)層板的低速沖擊吸能能力，提出呈韌性破壞的AFRP和DFRP的沖擊吸能明顯高于呈脆性破壞的GFRP和CFRP。王曉潔、張煒等剮簡要介紹近年來國內外碳纖維及碳纖維復合材料在耐壓容器方面的研究進展。程小全、吳學仁分析和總結復合材料層合結構受沖擊后的損傷容限，其中主要考慮沖擊后壓縮強度等因素的影響。
　　含內襯纖維纏繞結構的損傷破壞模式分為兩種：一種是纖維纏繞結構體的破壞，主要表現為基體開裂、層間分層和纖維斷裂等；另一種為內襯的損傷。由于內襯損傷具有隱蔽性和目視不易測的特點，從而留下了安全隱患。研究此種結構材料的抗沖擊性能，弄清其破壞機理是提高內襯的抗沖擊性能減少內襯損傷的關鍵。作者就鋼內襯纖維纏繞筒展開試驗研究，通過兩種鋼內襯增強纖維纏繞筒(一種玻璃纖維纏繞筒身，一種玻璃纖維混雜碳纖維纏繞筒身)的對比，研究含內襯纖維纏繞結構材料的橫向抗沖擊性能，探討原玻璃纖維纏繞筒身混纏碳纖維后．其力學特性的變化及是否有利于提高鋼內襯的抗沖擊性能。

1　含內襯纖維纏繞筒的結構

　　含內襯纖維纏繞筒由鋼內襯和筒身兩部分組成，具體結構如下：
　　1)鋼內襯。鋼內襯材料為30CrMnSiA，厚為0.35mm，臺階孔結構。兩端孔徑不同，其中：小孔尺寸120 mm．外徑Φ121.4 min；大孔尺寸Φ127 mm，外徑Φl28.9 mm；中間部位Φ121 mm。
　　2)筒身。鋼內襯外緊貼著隔熱橡膠(0.4 mm)，外面纏繞玻璃纖維，以螺旋和環向交替的方式纏繞，螺旋纏繞角為35°筒身加鋼內襯的平均厚度小于4 mm。玻纖筒身與玻、碳混纏筒身結構相同，不同之處在于玻、碳混纏筒身中間的一層螺旋和兩層環向玻璃纖維由碳纖維代替。

2　試驗方法

2.1　落錘沖擊試驗
　　落錘落點的兩側貼三向應變片，在纖維纏繞筒的兩端，為便于測量沖擊引起內襯與外部筒身不同的應變，在同一位置的內外壁均貼三向應變片(圖1)。中部僅在M3截面的外壁貼4個三向應變片。沖擊測試按截面1、2，3、4、5的順序測試。每個截面分布4個沖擊點．每個沖擊點測試相鄰兩個點的內(外)應變，通過應變花計算公式求得各點受沖擊后的大主應變。每次同時測定落點處內襯內徑的變化數據。
　　筒端部和筒中部的試驗結果見表1，圖2、3。

2.2　三點彎曲試驗
　　三點彎曲試驗主要考察兩種纖維纏繞筒在外載荷下的屈服過程及其特性。
　　每一截面3個加載點．夾角120°，兩端夾具對稱于加載點．如加載中M1面時．兩端夾具位置為C1，見圖4。試驗結果見圖5、6。

2.3　懸臂彎曲試驗
　　懸臂彎曲試驗．主要研究內襯主應力與載荷的關系。在試件的內襯面對稱貼4個三向應變片，試件的一端用夾具夾住．在另一端加載。懸臂試件如圖7所示。
　　載荷與內襯主應力在材料屈服前保持線性關系．用小二乘法擬合線性段，得到結果見表2。其中，玻、碳混合纏繞筒試件在加載點1測量的應變數據有問題．故未在文中列出。

3　結果分析

　　1)在落錘沖擊試驗中．由表1看出纖維纏繞筒端部的外部筒身與鋼內襯的應變相差很大。表明兩種材料特性的不同，導致兩者變形不協調．是引起纖維纏繞筒分層與鋼內襯塑性變形的主要原因之一。落錘高度0.6m以下時，玻、碳混合纏繞筒比玻纖纏繞筒的大主應變小(圖2)。圖3表明玻、碳混合纏繞筒的內徑變化量要比玻纖纏繞筒大．即鋼內襯的殘余變形更大。說明混纏碳纖維后．筒的整體剛度得到提高，但加入的碳纖維并沒有使鋼內襯的抗沖擊能力得到提高。
　　2)三點彎曲試驗(圖5，6)表明玻纖纏繞筒有明顯的屈服拐點。加載一屈服一破壞過程持續時間較長，而玻、碳混合纏繞筒屈服過程的拐點并不明顯，有的甚至沒有。說明玻纖纏繞筒相比玻、碳混合纏繞筒對外載荷能量的吸收能力更強。
　　3)懸臂彎曲試驗(表2)表明，鋼內襯應力隨外載荷的增加而增加．在載荷比較小的情況下，可認為是線性的。玻纖纏繞簡的△σ₁/△P為64.39 MPa／kN．玻、碳混合纏繞筒△σ₁／△P為79.77 MPa／kN．可見玻、碳混合纏繞筒的鋼內襯對外載荷更為敏感。

4　結　論

　　1)為了提高含鋼內襯玻璃纖維纏繞筒中鋼內襯的抗沖擊能力．在玻璃纖維纏繞層中混纏入3層碳纖維．經過落錘沖擊試驗、三點彎曲試驗和懸臂彎曲試驗的對比分析，表明碳纖維的加人確實提高了結構整體的剛度，但玻、碳混合纏繞筒對沖擊能量的吸收和緩沖能力變弱，鋼內襯對外載荷更為敏感．更易損傷。
　　2)玻、碳混合纏繞筒屈服拐點并不明顯．表現為脆性破壞，不能更好的保護鋼內襯。建議混雜一些呈韌性破壞的纖維，如芳綸纖維(AFRP)，超高分子量聚乙烯PE纖維(DFRP)。呈韌性破壞的AFRP和DFRP的沖擊吸能明顯高于呈脆性破壞的玻璃纖維(GFRP)和碳纖維(CFRP)。
　　綜上所述，為提高內襯的抗沖擊性能．在含鋼內襯的纖維纏繞筒狀結構中．用碳纖維替代玻璃纖維是不合適的，它雖在整體剛度上起到了一定作用，但并不能更好的保護鋼內襯，建議混纏其它材料或通過其它途徑加以改善。