Thermo‑mechanical coupling effects on high‑velocity impact damage of CFRP laminates: Experiment and temperature‑dependent dynamic constitutive modeling

想象一下喷气发动机内部就像一个高风险的舞池，巨大的金属叶片在其中高速旋转。如果其中一个叶片断裂并飞出，它就会变成一个高速飞行的致命投射物，直冲发动机的外壳。为了保障飞机的安全，这个外壳——通常由轻质且超强的碳纤维制成——必须充当一个坚不可摧的盾牌，捕捉飞行的碎片而不发生破碎。但转折在于，外壳周围的空气并不凉爽，而是灼热无比，有时甚至达到足以熔化普通塑料的温度。

科学家们早已知道，材料在热态和冷态下的表现截然不同。想象一下一块口香糖：在冷冻室里，它是硬而脆的，轻轻一撞就会断裂；而在你的口袋里，它是软而有弹性的，通过拉伸来吸收冲击。这篇论文探讨了一个棘手的问题：当你用一个快速移动的物体撞击一个超强、耐热的碳纤维盾牌，且此时盾牌正处于高温状态时，会发生什么？是热量会让它变得太软而无法挡住撞击，还是极高的撞击速度会让它变得更加坚韧？为了回答这个问题，研究人员不得不建造一个类似于“时间机器”的东西——一个能够预测材料在热量与速度这种极端复合条件下如何产生裂纹、撕裂和弯曲的计算机模拟系统。

高温重型冲击测试

在这项研究中，研究团队决定让碳纤维增强树脂（一种用特殊塑料胶合在一起的碳纤维的专业称呼）接受严苛的考验。他们想看看这些材料在处于烤箱环境并受到快速投射物撞击时表现如何。以往的大多数测试都是在凉爽舒适的房间内进行的，但真实的喷气发动机要热得多。因此，团队搭建了一个巨大的气压炮，向碳纤维板发射小型钢珠。他们不仅是在室温下进行射击，还在射击前将碳板加热到了160°C甚至200°C（大约是320°F到392°F）。

钢珠的飞行速度在237米/秒至337米/秒之间。有些射击导致钢珠反弹或卡住（未穿透），而另一些则直接贯穿（穿透）。通过观察实验现象，团队发现随着温度升高，材料变得越来越弱。对于热态下的碳纤维板来说，阻挡钢珠变得更加困难。在200°C时，其“弹道极限”（即钢珠刚好能穿透的临界速度）与低温测试相比显著下降。受损情况表现为：正面有一个深坑，背面有一个凸起，内部则布满了杂乱的裂纹网络和撕裂的纤维。

“虚拟实验室”与神奇代码

由于你无法每当想要测试一个新想法时就重新建造一台喷气发动机，研究人员在名为ABAQUS的计算机程序中构建了一个“虚拟实验室”。他们编写了一段特殊的代码（称为VUMAT子程序）来充当模拟过程的大脑。这段代码旨在理解两种相互竞争的力量：

1. 热软化效应：就像口香糖一样，连接纤维的热态塑料胶水会变得柔软且脆弱。
2. 应变率强化效应：当你以极快的速度撞击某物时，材料往往会暂时变得更坚硬，就像如果你快速踢一块河石，它感觉会比慢慢踢时更硬一样。

研究人员的代码必须平衡这两者。它需要既知道热量正在让胶水变得软塌塌，又要知道高速撞击正试图让整个结构变得僵硬。他们使用了一套规则（3D Hashin失效准则）来精确决定材料何时以及如何发生破坏：是纤维断裂？是胶水开裂？还是层间剥离？

他们的发现

当他们运行虚拟模拟时，结果显示出惊人的准确性。计算机准确地预测了坑洞在哪里形成、纤维如何断裂，以及钢珠会被卡住还是会穿透。事实上，计算机对钢珠速度的预测误差与实际测试相比不到5%。

研究证实，虽然高速撞击试图让材料变得更强，但高温最终占据了上风，使得材料变得更加脆弱。损伤通常始于软化的胶水开裂，随后扩散到层间剥离，最后以强韧的纤维断裂告终。这种“软化”效应是材料在高温下失效的主要原因。

为什么这很重要

这不仅仅是关于向塑料射击；这关乎飞机的安全。通过证明他们的计算机模型能够准确预测材料在高温、高速撞击下的失效情况，研究人员为工程师提供了一个强大的新工具。工程师不再需要为每一个新的发动机设计进行昂贵且危险的物理测试，现在他们可以使用这个“虚拟实验室”来设计足够坚固的扇叶机匣，即使在发动机运行在最高温时，也能有效捕捉飞行的碎片。该论文并不声称解决了世界上所有的难题，但它已成功绘制了一张在碳纤维高温、高速撞击这一复杂领域中航行的可靠地图。