确定复合材料结构的耐撞性需要多个层次的测试和分析，从试片级压碎测试开始。

 

图1. 与复合材料结构相关的耐撞性测试的积木式方法。

 

耐撞性可定义为结构在碰撞中提供受控能量吸收并保护其乘员免受过度力和峰值加速度的能力。一般来说，材料和几何结构的选择都会影响结构的 破碎破坏机制和整体能量吸收能力。对我们大多数人来说，最熟悉的防撞结构是我们的汽车和卡车。

 

与主要通过塑性变形吸收能量的金属不同，聚合物基复合材料(PMC)通过纤维和基体的脆性断裂吸收能量。如果设计得当，复合材料结构可以保持完整，并能够以稳定和渐进的方式发生压碎破坏。此外，与金属相比，PMC已被证明可以提高单位质量的能量吸收，称为比能量吸收，因为它们的密度相对较低，并且能够通过渐进式破碎吸收能量。一般来说，PMC的能量吸收能力取决于所使用的纤维和基体、层压板配置（层取向和铺层顺序）和复合材料结构的设计。

 

我在2021年8月和12月的CW专栏中已经讨论过，积木式方法是一个循序渐进的过程，可以作为设计复合结构的框架，同时降低风险和成本。图1显示了一个积木金字塔的例子，说明了与复合材料飞机结构相关的耐撞性测试水平。对于具有耐撞性要求的复合材料结构，测试和分析的复杂性会增加，而当达到更高的积木块级别时，测试的数量会减少。目前，“复合材料手册-17(CMH-17)”第3卷第16章对复合材料的耐撞性积木块方法进行了最广泛的介绍。

 

在本文中，将重点介绍这个积木金字塔的基层，其中大部分的试片级压碎测试都是为了筛选复合材料和层压板而进行的。这些测试提供了层压板压碎应力和比能量吸收计值，SEA定义为每单位质量压碎材料的能量吸收。该积木块的较高级别包括元件级、子部件级和全尺寸级压碎测试，用于研究拟议复合材料结构特定部分的耐撞性。这些更高的积木块级别将在下一篇文章中讨论。

 

支柱元件的平试样压碎试验

图2.机身下部货舱的横截面

 

当开始评估复合材料结构的耐撞性时，通常会选择试样级试样来代表预期复合材料压碎结构的关键部分。在汽车行业中，复合管段已被用作试样级测试物品，遵循使用管状金属结构的做法，当以相对稳定、手风琴状的方式压实时，这些管状金属结构会吸收能量。这种管段是自支撑的试验品，因此在进行压碎试验时不需要复杂的试验夹具。

 

近年来，CMH-17的耐撞性工作组一直专注于使用平试样压碎测试来测量层压板的压碎性能，并筛选候选复合材料层压板的能量吸收。使用扁平试样的一个原因是预期的应用：如图2所示，支撑运输机机身地板梁的C形通道形复合材料支柱。除了在飞机正常运行期间用作结构构件外，这些支柱还被确定为主要的吸能结构元件。如图3所示，典型的C形通道支柱的横截面由一个中心腹板部分和两个通过两个角区域连接的外凸缘部分组成。这种C形通道支柱提供了结构稳定性，并允许与飞机机身中相邻的扁平结构齐平连接。

图3. 典型C形通道支柱的横截面，带有代表性的压碎试样

 

CMH-17耐撞性工作组最近的重点是这些复合材料支柱的压碎测试和数值压碎模拟。迄今为止，人们一直致力于积木块的试片和元件水平。在试样层面，进行了平试样压碎测试，以确定所选碳纤维/环氧树脂层压板的层压板水平压碎响应。使用扁平试样的一个优点是，它们可以从平板上切割下来，类似于其他机械试样，从而大大简化了制造。然而，与复合材料压缩试样类似，这些扁平压碎试样在压碎试验期间必须得到支撑，以防止屈曲。

图4. 犹他大学扁平试样压碎试验夹具和试样

Engenuity有限公司（英国西萨塞克斯）和犹他大学（美国盐湖城）进行的合作研究制造了测试夹具、常见的样品几何形状和平板挤压测试的测试程序。图4显示了为此类测试开发的犹他州扁平试样压碎试验夹具。测试夹具端部的上支撑将扁平试样压在夹具底座上，下支撑防止试样弯曲。上下支撑可调节，以允许对各种试样厚度和标距长度进行压碎测试。无支撑和销支撑的测试夹具底座（图3）分别用于表征破碎结构的平坦和弯曲区域。无支撑的基座使扁平试样能够自由压碎，而销钉支撑的基座则限制了扁平试样的平面外变形和张开。

 

根据初始应力分析，选择用于C形通道支柱的16层板配置由8个0°层、4个±45°层和4个90°层组成。根据之前使用类似碳纤维/环氧树脂层压板的压碎测试结果，从这种层压板配置中选择了五种层铺放顺序进行平试样压碎测试：

 

• (902/±45/04)S中平面处的S刚性层
• (902/02/±45/02)S先前研究中的S高SEA
• (90/+45/02/90/-45/02)S层间分散，同时保持SEA
• (±45/902/04]S外层45°)S帘布层，之前研究中的SEA较高
• (±45/90/0/90/03)S外层45°帘布层，帘布层分散度更大

 

根据平试样压碎试验的结果，选择了两个层压板进行后续的C形通道压碎试验：(902/02/±45/02)S和(90/+45/02/90/-45/02)S。这两个层合板都使用无支撑和销支撑的基板表现出高能量吸收能力。请注意，两种层压板在层压板中平面上共有四个0°层，这有助于在破碎过程中促进破碎破坏，这是一种高能量吸收破坏模式。

 

在平试样外壳测试后，将结果提供给耐撞性工作组成员，用于进行初步压碎分析。这种试样级破碎分析允许估计建模参数和特性，这些参数和特性用于在更高的积木块级别对渐进式破碎进行建模。在元件层面，分析团队对C形通道支柱进行了压碎试验模拟，并在提供压碎试验结果之前对压碎行为进行了盲预测。因此，这些初步的数值分析为数值分析方法和所选的输入参数提供了初步评估。

 

后续文章将介绍复合材料耐撞性积木块方法中的元件、子部件和部件级测试。

在前面讨论的试样级测试元件之后，子部件和部件测试是设计防撞复合材料结构的下一步。

图1. 复合材料结构相关的耐撞性测试的积木式方法。

2024年11月的文章中，开始讨论复合材料结构耐撞性测试的积木式方法。这种方法的特点是设计具有耐撞性要求的复合材料结构的多步骤过程，其中测试的复杂性增加，测试的数量减少。图1所示的积木金字塔说明了与复合材料运输机结构相关的前四个级别的耐撞性测试。

 

之前，专注于最初的试样级压碎测试，用于识别产生高压碎应力和能量吸收值的复合材料层压板和层板堆叠顺序。通过该测试，确定了两种碳纤维/环氧树脂层压板[902/02/±45/02]S和[90/+45/02/90/-45/02]S用于元件级测试。这些平试样压碎试验结果也可用于确定与特定有限元分析（FEA-）方法相关的压碎性能和建模参数。然而，试样级耐撞性测试的数量和类型取决于所使用的数值建模方法。

 

在平试样压碎试验后，将两个选定复合材料层压板的试验结果提供给耐撞性工作组成员，用于对初始试样级压碎试验进行有限元分析。这些初始的试样级破碎模拟也用于建立建模参数和破碎相关特性，以预测更高构建块水平下的渐进破碎。

 

在本专栏文中，我将重点介绍与积木块的元件、子组件和组件级别相关的耐撞性测试。此外，将继续关注商用航空业，复合材料手册-17（CMH-17）耐撞性工作组正在为其进行构建块练习并记录。

 

元件级测试

 

该小组最近的重点是复合材料C形通道试样的单元级压碎试验和数值压碎模拟。这些结构代表了用于支撑运输机机身下部货舱地板的支柱。支柱的C形横截面提供了结构稳定性，并允许与飞机机身中的相邻结构齐平连接。除了在飞机正常运行期间充当结构件外，这些支柱在发生碰撞时还充当主要的吸能结构元件。

图2. 犹他大学落震试验塔用于C通道压碎试验

从元件级测试开始，通过将有限元分析预测与压碎试验结果进行比较，更加重视开发压碎行为和能量吸收的预测能力。使用与平试件压碎试验相同的两种复合材料叠层制造的C形通道试件进行元件级压碎试验。如图2所示，使用犹他大学的垂直落塔进行了C通道压碎测试。在试样顶端加工了一个斜面形状的触发机构，以引发压碎失效。使用两个初始冲击速度进行压碎测试。如图3所示，使用高速摄像机记录了初始冲击事件和渐进式压碎行为。此外，在渐进式破碎过程中记录了力与位移的数据，用于评估所研究的各种有限元分析方法的预测能力。

 

共使用了九种有限元建模方法来模拟C通道压碎试验。向分析小组提供了两种层压板配置的平试样压碎试验结果以及C通道试样几何形状和落震压碎试验信息。每个团队都使用不同的数值建模方法进行了有限元分析，以预测C通道压碎试样的压碎行为和由此产生的能量吸收。在分析团队提交了对两组C通道试样的预测后，实验压碎试验结果被分发给所有参与者。

 

子组件和组件测试

 

目前，CMH-17耐撞性工作组正专注于为类似于图1积木块所示的子部件级复合材料结构的数值建模建立最佳实践。对于运输机，该子部件是一个元件级结构的组件，其中包括之前就，积木块级的主要能量吸收C通道元件。因此，未来的子部件级耐撞性测试和分析也将侧重于子部件组件内元件的机械连接和由此产生的相互作用。

图3. 使用高速摄像机记录的复合C通道试样的渐进式压碎行为

 

除了评估拟议子部件配置的耐撞性外，还使用子部件级压碎试验来研究形成子部件的结构元件的相互作用。测试结果也可用于确保分析方法正确预测在压碎测试期间观察到的载荷传递和由此产生的结构元件压碎行为。在设计子部件级耐撞结构时，通常会进行多个子部件压碎试验，以确保拟议的结构配置能够按预期运行。

 

在积木块的组件级别，对代表主要破碎结构重要部分的更大组件和子组件进行了测试和分析。在当前的CMH-17积木式演习中，候选组件级测试物品将包括飞机机身筒的一部分，如图1所示。除了评估组件内元件级能量吸收特征的有效性外，还可以进行压碎测试，以评估相邻元件和子组件之间的连接。与构建块的较低级别类似，测试结果用于验证数值建模方法，包括输入建模参数和与压碎相关的属性。

 

尽管图1中的耐撞性构建块中没有显示，但通常会进行全面测试作为最终的耐撞验证测试。对于运输机，可能的测试物品包括整个飞机机身的完整筒体或部分筒体部分。“复合材料手册-17（CMH-17）1”第3卷第16章提供了有关复合材料耐撞构建块方法的更多信息。

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

杨超凡 2025.7.11