摘　要：以两种曲φ120含钢内村增强纤维缠绕筒为研究对象(一种为纯玻璃纤维缠绕筒，另一种为玻、碳纤维混合缠绕筒)，进行落锤冲击试验、三点弯曲试验和悬臂弯曲试验．研究这两种含钢内衬的不同纤维缠绕筒在横向低速冲击下的抗冲击性能。对比试验表明，玻．碳混合缠绕筒的整体刚度比纯玻璃纤维缠绕筒高。悬臂弯曲试验中纯玻璃纤维缠绕筒和玻、碳混合缠绕筒的钢内衬主应力随载荷的变化率分别为64.39MPa/kN和79.77 MPa/kN，表明玻、碳混合缠绕筒的钢内衬对外载荷更为敏感，钢内村的抗冲击能力下降。

关键词：钢内衬；增强纤维缠绕；横向低速冲击：抗冲击性能

　　含内衬纤维缠绕结构因为强度高、质量轻和气密性好等特点已广泛应用于高压容器．常规武器发射装置及航空航天领域中。含内村纤维缠绕结构的冲击损伤问题一直是国内外研究的热点。目前，许多研究工作者对这种结构冲击过程中的损伤机理开展了大量的研究工作，王小永分析航天系统对纤维缠绕，命属内衬压力容器的寿命要求，强调容器的疲劳寿命主要由金属内衬决定。周丽军、张善元等研究了自由圆管经受刚性平头弹体横向冲击时的动力学行为，具体分析了自由圆管在横向冲击下的变形历程、终的变形模态以及能量的分配方式等。林再文、李涛等对玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维3种常用的增强材料及其增强的薄壁金属内衬复合材料压力容器进行对比研究．研究了3种压力容器的设计方法。陆赛华，钟宏志研究了两端自由圆柱薄壳横向局部冲击作用下的瞬态响应。贺成红、张佐光考察了玻璃纤维(GFRP)，碳纤维(CFRP)，芳纶纤维(AFRP)和聚乙烯PE纤维(DFRP)层板的低速冲击吸能能力，提出呈韧性破坏的AFRP和DFRP的冲击吸能明显高于呈脆性破坏的GFRP和CFRP。王晓洁、张炜等剐简要介绍近年来国内外碳纤维及碳纤维复合材料在耐压容器方面的研究进展。程小全、吴学仁分析和总结复合材料层合结构受冲击后的损伤容限，其中主要考虑冲击后压缩强度等因素的影响。
　　含内衬纤维缠绕结构的损伤破坏模式分为两种：一种是纤维缠绕结构体的破坏，主要表现为基体开裂、层间分层和纤维断裂等；另一种为内衬的损伤。由于内衬损伤具有隐蔽性和目视不易测的特点，从而留下了安全隐患。研究此种结构材料的抗冲击性能，弄清其破坏机理是提高内衬的抗冲击性能减少内衬损伤的关键。作者就钢内衬纤维缠绕筒展开试验研究，通过两种钢内衬增强纤维缠绕筒(一种玻璃纤维缠绕筒身，一种玻璃纤维混杂碳纤维缠绕筒身)的对比，研究含内衬纤维缠绕结构材料的横向抗冲击性能，探讨原玻璃纤维缠绕筒身混缠碳纤维后．其力学特性的变化及是否有利于提高钢内衬的抗冲击性能。

1　含内衬纤维缠绕筒的结构

　　含内衬纤维缠绕筒由钢内衬和筒身两部分组成，具体结构如下：
　　1)钢内衬。钢内衬材料为30CrMnSiA，厚为0.35mm，台阶孔结构。两端孔径不同，其中：小孔尺寸120 mm．外径Φ121.4 min；大孔尺寸Φ127 mm，外径Φl28.9 mm；中间部位Φ121 mm。
　　2)筒身。钢内衬外紧贴着隔热橡胶(0.4 mm)，外面缠绕玻璃纤维，以螺旋和环向交替的方式缠绕，螺旋缠绕角为35°筒身加钢内衬的平均厚度小于4 mm。玻纤筒身与玻、碳混缠筒身结构相同，不同之处在于玻、碳混缠筒身中间的一层螺旋和两层环向玻璃纤维由碳纤维代替。

2　试验方法

2.1　落锤冲击试验
　　落锤落点的两侧贴三向应变片，在纤维缠绕筒的两端，为便于测量冲击引起内衬与外部筒身不同的应变，在同一位置的内外壁均贴三向应变片(图1)。中部仅在M3截面的外壁贴4个三向应变片。冲击测试按截面1、2，3、4、5的顺序测试。每个截面分布4个冲击点．每个冲击点测试相邻两个点的内(外)应变，通过应变花计算公式求得各点受冲击后的大主应变。每次同时测定落点处内衬内径的变化数据。
　　筒端部和筒中部的试验结果见表1，图2、3。

2.2　三点弯曲试验
　　三点弯曲试验主要考察两种纤维缠绕筒在外载荷下的屈服过程及其特性。
　　每一截面3个加载点．夹角120°，两端夹具对称于加载点．如加载中M1面时．两端夹具位置为C1，见图4。试验结果见图5、6。

2.3　悬臂弯曲试验
　　悬臂弯曲试验．主要研究内衬主应力与载荷的关系。在试件的内衬面对称贴4个三向应变片，试件的一端用夹具夹住．在另一端加载。悬臂试件如图7所示。
　　载荷与内衬主应力在材料屈服前保持线性关系．用小二乘法拟合线性段，得到结果见表2。其中，玻、碳混合缠绕筒试件在加载点1测量的应变数据有问题．故未在文中列出。

3　结果分析

　　1)在落锤冲击试验中．由表1看出纤维缠绕筒端部的外部筒身与钢内衬的应变相差很大。表明两种材料特性的不同，导致两者变形不协调．是引起纤维缠绕筒分层与钢内衬塑性变形的主要原因之一。落锤高度0.6m以下时，玻、碳混合缠绕筒比玻纤缠绕筒的大主应变小(图2)。图3表明玻、碳混合缠绕筒的内径变化量要比玻纤缠绕筒大．即钢内衬的残余变形更大。说明混缠碳纤维后．筒的整体刚度得到提高，但加入的碳纤维并没有使钢内衬的抗冲击能力得到提高。
　　2)三点弯曲试验(图5，6)表明玻纤缠绕筒有明显的屈服拐点。加载一屈服一破坏过程持续时间较长，而玻、碳混合缠绕筒屈服过程的拐点并不明显，有的甚至没有。说明玻纤缠绕筒相比玻、碳混合缠绕筒对外载荷能量的吸收能力更强。
　　3)悬臂弯曲试验(表2)表明，钢内衬应力随外载荷的增加而增加．在载荷比较小的情况下，可认为是线性的。玻纤缠绕简的△σ₁/△P为64.39 MPa／kN．玻、碳混合缠绕筒△σ₁／△P为79.77 MPa／kN．可见玻、碳混合缠绕筒的钢内衬对外载荷更为敏感。

4　结　论

　　1)为了提高含钢内衬玻璃纤维缠绕筒中钢内衬的抗冲击能力．在玻璃纤维缠绕层中混缠入3层碳纤维．经过落锤冲击试验、三点弯曲试验和悬臂弯曲试验的对比分析，表明碳纤维的加人确实提高了结构整体的刚度，但玻、碳混合缠绕筒对冲击能量的吸收和缓冲能力变弱，钢内衬对外载荷更为敏感．更易损伤。
　　2)玻、碳混合缠绕筒屈服拐点并不明显．表现为脆性破坏，不能更好的保护钢内衬。建议混杂一些呈韧性破坏的纤维，如芳纶纤维(AFRP)，超高分子量聚乙烯PE纤维(DFRP)。呈韧性破坏的AFRP和DFRP的冲击吸能明显高于呈脆性破坏的玻璃纤维(GFRP)和碳纤维(CFRP)。
　　综上所述，为提高内衬的抗冲击性能．在含钢内衬的纤维缠绕筒状结构中．用碳纤维替代玻璃纤维是不合适的，它虽在整体刚度上起到了一定作用，但并不能更好的保护钢内衬，建议混缠其它材料或通过其它途径加以改善。