随着科技的发展与进步，我国民众出行所搭乘的交通工具呈现出多元化和高速化的发展趋势，极大地方便了民众的生活，但同时也产生出日益严重的交通安全隐患^[1]。据国家统计局公布的数据显示，2022年我国发生的交通事故超过25.6万次，伤亡人数超过6万人，造成的直接财产损失接近12.4亿元人民币。如何提高安全装备的防护性能，降低意外事故中因碰撞冲击载荷造成的人员伤亡和财政损失，已成为当前重要的研究课题。在众多被动式安全防护装置中，薄壁结构(Thin-walled structure)凭借其吸能效率高、制造成本低以及可设计性强等优点，广泛应用于轨道交通^{[2, 3]}、航空航天^{[4, 5]}以及各类工程领域^{[6, 7]}中(图1)。此类防护装置能够在遭遇碰撞冲击载荷时，通过预设的结构变形耗散大部分输入动能，从而显著降低人员或设备受到的损害^[8]。

图  1  薄壁吸能结构在各领域中的应用

Figure  1.  Application of thin-walled energy-absorbing structures in various fields

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薄壁结构的能量吸收性能很大程度上受到构成材料性能的影响，并通过一系列耐撞性能指标(Crashworthiness indices)综合评估结构的防护能力^{[9, 10]}。在实践中，最常用的薄壁吸能结构是金属圆管结构，该结构在轴向加载过程中表现出稳定的渐进变形模式，使得大部分材料有效地参与到能量吸收功能中，展示出较高的材料利用效率^[11]。该结构的典型失效形式根据压溃形态可分为圆环变形模式和钻石变形模式两种。圆管直径和长度相对于壁厚的比例关系，是决定变形模式的切换的关键因素^[12]。在金属薄壁圆管力学性能预测方面，Alexander^[13]等人基于塑性铰理论首次提出了圆环渐进变形模式的平均压溃载荷理论预测模型。Abrarmowicz^[14]和El-Sokby^[15]等人先后对此模型进行了改进，提高了理论预测精度；Singace^[16]和Guillow^[17]等人则针对钻石渐进变形模式提出了相应的预测方法。近年来，随着高性能材料的研发及其制造技术的进步，传统金属薄壁结构已逐渐被轻质复合材料所取代^[18]。其中，纤维增强树脂基复合材料凭借其高比强度、高比吸能及卓越的设计灵活性而成为轻质防护结构制备的关键材料^[19]。在轴向加载过程中，复合材料薄壁圆筒的失效行为通常起始于材料内部微裂纹的生成与扩展，继而导致层内纤维断裂和层间脱粘^{[20, 21]}。该薄壁结构的典型失效形式主要分为渐进碎裂模式和分瓣撕裂模式两种。尽管针对此类失效过程已进行了广泛研究，现有预测方法仍难以精准捕捉其复杂的失效过程，特别是在理论预测模型方面，预测精度仍有待进一步提高^{[22, 23]}。此外，现有研究还表明纤维增强复合材料薄壁圆管还面临脆性高、动态吸能效果差、制造成本昂贵、渗漏性能差等问题^{[24, 25]}，限制了在薄壁吸能领域中的应用。发展具有更稳定变形过程的轻质吸能结构是防护装备领域的重要研究方向^[26]。

本研究结合金属与纤维增强复合材料的优势，提出了一种创新的纤维/铝混杂薄壁圆管吸能结构。该结构由交替排布的铝合金薄板与纤维增强复合材料铺层制备而成，圆筒壁面呈现出细观混杂铺层方式。通过开展准静态压缩和落锤冲击实验，本文探讨了加载速率、结构参数及铺层方式对结构耐撞性能的影响规律，验证了细观混杂结构在薄壁吸能领域的应用潜力，为轻质吸能结构的设计提供了新的设计思路和实践依据。

1.   实验材料及方法

1.1   细观混杂铺层设计与制备工艺

为详细表征细观混杂复合材料圆管的力学吸能特性，纤维增强复合材料制备了多组不同结构参数的均质和混杂圆管样件，并进行了准静态和动态加载实验。制备使用的铝合金薄板为0.15 mm厚度的1060型冷轧铝板，由易迈铝业提供；碳纤维和玻璃纤维复合材料为平纹织物预浸料，型号分别为W-3011和W-9011，由威海光威复合材料有限公司提供，预浸树脂为6508环氧树脂，可加热固化形成结构件。在铺层顺序方面，均质复合材料圆管均采用[0°]₈的铺层方式，纤维/铝混杂圆管则采用[0°₂/Al/0°]_s的铺层，相当于将第三和第六层的纤维材料替换为厚度相近的铝合金薄板。在铺层前，铝合金薄板经过220目砂纸的打磨处理，以增加表面粗糙度，提升薄板与预浸树脂的粘接强度。

为消除平板卷曲至圆筒过程中的连接缝隙，降低局部缺陷对结构整体强度的影响，本研究采用非均匀缠绕铺设的方式实现纤维/铝混杂圆管的一体化成型。如图2所示，铺层两端配置为单层的碳纤维材料，长度等于金属芯模周长，中段为[0°/Al/0°]的混合铺层，长度等于金属芯模周长的2倍。制备时，将非均匀的铺层材料直接缠绕至芯模表面，即可实现预期的铺层顺序。此方法极大简化了制备工艺流程，适用于大规模工业生产，同时，单张铝板的混杂设计还可提高薄壁结构的密封性能，有效拓宽了轻质复合材料的应用潜力，例如管道运输、储罐等。

图  2  纤维/铝合金细观混杂圆管的一体成型制备

Figure  2.  The integrated molding method of fiber/aluminum alloy mesoscopic hybrid tubes

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铺层缠绕完成后，采用真空袋成型技术对混杂圆管结构进行固化，固化温度设定为125℃，时间为1.5小时。固化完成后，通过脱模机进行脱模处理，并使用数控机床对圆管进行分段切割，制成测试试样。在真空加热固化过程中，外界气压有效消除了铺层间的气泡，形成致密的圆管结构。通过扫描电子显微镜(SEM)对混杂圆管截面进行观察，如图2(c)所示。观察结果表明，试样层间缺陷较少，经过打磨的铝合金薄板与环氧树脂材料相互交错，展现出良好的粘接效果。

为分析管径尺寸对混杂结构吸能特性的影响规律，本研究使用不同的金属芯模制备了内径尺寸分别为40、60和80 mm的混杂圆管试样，如图3所示。表1详细列出了混杂圆管试样的具体结构参数，壁面材料相对密度以及铺层方式。其中，碳纤/铝混杂圆管与玻纤/铝混杂圆管试样分标记为CAC与GAG。

图  3  不同内径尺寸的均质材料和纤维/铝细观混杂圆管试样

Figure  3.  Homogeneous and fiber/aluminmum alloy mesos mesoscopic hybrid tubes with different diameters

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表  1  均质薄壁圆管与纤维/铝细观混杂结构的试样结构参数

Table  1.  Specific structural parameters of homogeneous and mesoscopic hybrid tubes

Type	Specimen number	Height/ mm	Diameter/ mm	Thickness/ mm	Mass/ g	Density/ (g·cm−3)	Ply stacking sequence
6061-Al tubes	Al-D41	80	41	2.00	55.93	2.56	-	-
	Al-D56	80	56	2.00	74.33
	Al-D76	80	76	2.00	99.77
Homogeneous tubes	CF-D40	80	40	1.96	27.60	1.35	[CF]8	■■■■■■■■
	CF-D60	80	60	1.90	40.52
	CF-D80	80	80	1.90	52.34
	GF-D40	80	40	2.15	38.44	1.68	[GF]8	□□□□□□□□
	GF-D60	80	60	2.20	57.27
	GF-D80	80	80	2.20	77.24
Mesoscopic hybrid tubes	CAC-D40	80	40	1.96	29.32	1.46	[CF2/Al/CF]S	■■Α■■Α■■
	CAC-D60	80	60	1.90	43.84
	CAC-D80	80	80	1.90	58.20
	GAG-D40	80	40	1.93	37.65	1.88	[GF2/Al/GF]S	□□Α□□Α□□
	GAG-D60	80	60	1.92	56.25
	GAG-D80	80	80	1.92	74.80
Notes: ■ represents carbon fiber composite; □ represents glass fiber composite; “A” represents aluminmum.

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1.2   准静态与动态冲击加载测试

为探究不同加载速率、铺层方式以及结构参数对薄壁圆管结构能量吸收特性和失效变形模式的影响规律，本研究选用均质铝合金、碳纤、玻纤复合材料圆管以及纤维/铝细观混杂圆管试样进行了准静态加载和动态落锤冲击性能测试。准静态实验采用电子万能试验机(WDW-200)作为加载装置，如图4(a)所示，力学传感器精度约为5 N，加载速度设置为3 mm/min。加载过程中，采用高精度摄像头(RTTS-100)记录加载位移和变形过程。动态冲击实验则采用落锤测试系统(JLY-6500)作为加载装置，如图4(b)所示。通过调整落锤重量与下落高度，改变冲击载荷能量，该系统最大冲击能量为6500 J。本次测试参考试样的准静态吸能过程，使冲击载荷能量略大于试样总能量吸收，设定落锤重量为200 kg，下落高度为1.0 m，实验测得锤头初始冲击速度3.5 m/s，相应的实际冲击能量约为1225 J。在此冲击能量下，薄壁吸能试样的能量吸收能力可以获得充分发挥和验证。载荷数据由试验机底部的力学传感器收集，并通过应用局部加权回归平滑(LOWESS)准则进行滤波处理，以降低测试装置固有振动频率的干扰^[27]。

图  4  准静态与动态冲击实验加载装置

Figure  4.  Quasi-static and dynamic impact test loading devices

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1.3   薄壁圆管耐撞性能评价方法

在工作状态下，传统承载结构通常允许发生较小的弹性变形，因此，在性能评价时，仅需对强度和刚度进行校核。相比之下，薄壁吸能结构需经历显著的几何大变形和材料失效，以不可逆的方式消耗输入动能。因此，除了强度刚度校核外，更需对结构的失效过程进行详细评估。此类评估指标通常被称为耐撞性能指标(Crashworthiness indices)，主要包括：总能量吸收(Energy absorption, EA)、比吸能(Specific energy absorption, SEA)、峰值压溃载荷(Peak crushing force, PCF)、平均压溃载荷(Mean crushing force, MCF)以及压溃效率(Crushing force efficiency, CFE)^[10]。这些指标通常由结构载荷-位移曲线量化得到，对应关系如图5所示。典型吸能结构载荷位移曲线通常由弹性段、吸能平台段和密实化段三部分构成(由黑色虚线分割)。当结构发生初始失效后，其承载能力将迅速下降，并呈现出一个相对稳定的吸能平台，结构的反作用力将在小范围内波动。随着加载位移的增加，可具备变形吸能能力的薄壁结构材料逐渐减少。当能量吸收能力完全耗尽时，结构进入了密实化阶段，载荷响应急剧上升。在达到密实化阶段前的总变形位移定义为有效行程(δ)，各类耐撞性能指标将在此基础上进行量化计算。

图  5  典型载荷-位移曲线与耐撞性能指标对应关系

Figure  5.  The correspondence between typical load-displacement curve and crashworthiness indices

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结构的总能量吸收($EA$)表述为密实化前结构支反力与加载方向位移的乘积的积分，即图5中载荷-位移曲线下方的绿色区域面积：

其中，$F\left(x\right)$为吸能结构加载过程中的载荷。实际应用中，试样高度变化将导致总能量吸收能力，为剔除高度影响因素，量化分析结构截面形状的吸能影响规律，通常采用变形时反作用力的平均值来评价结构的总吸能能力，即平均压溃载荷($MCF$)：

在考虑装备轻量化和材料利用率的场合，吸能结构重量也是需要考虑的重要因素，有必要纳入耐撞性能指标中。为此，通常采用比吸能($SEA$)作为一个耐撞性能指标，用以表示单位质量下结构的能量吸收能力。由于材料压溃过程中会发生内部堆积填充现象，在计算时仅考虑有效行程内被压溃部分的结构重量：

其中，$M$表示结构的总体质量，$H$表示加载方向结构的高度。在评价结构的耐撞性能时，还需考虑其对被撞物体的保护性能，因此理想的防护结构不应具有过高的初始峰值载荷。为此，引入压溃效率($CFE$)作为一种耐撞性评价指标，表示平均压溃载荷与初始峰值载荷的比值：

在后续的研究中，本文将根据以上耐撞性能指标对薄壁圆管结构的性能进行评价，以期实现对各类试件吸能效果、轻量化程度以及安全防护性能的系统性评价。

2.   结果与讨论

2.1   细观混杂圆管准静态压缩响应

三种尺寸的铝合金薄壁圆管试样准静态压缩响应曲线如图6所示。图中虚线为计算得到的MCF。测试结果表明，铝合金圆管试样产生圆环渐进失效模式，环形塑性铰随加载进行依次出现在管壁上。同时，载荷-位移曲线出现周期性波动现象，每个波动峰依次对应一个塑性铰的形成(包括初始峰值)。通过塑性铰处材料的弯曲及拉伸变形，试样吸收大量的能量。试样内径尺寸不影响结构失效模式，但将影响每个波动峰值载荷。试样的总能量吸收随管径的增加而显著增加。需要注意的是，传统铝合金圆管在平台段的载荷波动极大，对于内径76 mm的圆管，峰谷值接近60 kN，此种剧烈变化的载荷将对被撞物体产生较大伤害，是吸能结构设计中需尽可能避免的现象。当加载位移达到试样长度75%时，环形塑性铰发生相互接触，导致载荷急剧增加，试样进入密实化阶段。

图  6  铝合金薄壁圆管的准静态压缩响应曲线

Figure  6.  Quasi-state compression curves of aluminum tubes

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三种尺寸的碳纤、玻纤复合材料圆管试样准静态压缩响应曲线如图7所示。碳纤维和玻璃纤维复合材料圆管试样在压缩过程中均呈现出稳定的渐进失效模式。载荷在压缩起始阶段出现较高的初始峰值载荷，而后迅速下降，保持在MCF线附近小范围波动，形成较为平稳的能量吸收平台。当加载位移达到试样长度越80%时，圆管内部逐渐被壁面碎屑填满，并使得压缩载荷开始上升。

图  7  碳纤玻纤复合材料薄壁圆管的准静态压缩响应曲线

Figure  7.  Quasi-state compression curves of carbon and glass fiber composite tubes

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复合材料薄壁圆管试样的失效形貌如图8所示，可见管壁端部由于应力达到材料极限强度断裂为数瓣，同时复合材料发生分层失效并向内外翻转形成典型的分瓣压溃模式。向内翻转的材料不断填充管材内部空间，并最终导致结构密实化。

图  8  复合材料薄壁圆管试样准静态压缩失效模式

Figure  8.  The failure modes of composite tubes under quasi-state compression

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纤维/铝细观混杂薄壁圆管在准静态压缩响应曲线与均质纤维复合材料薄壁圆管试样的失效过程基本相同，如图9所示。在试样加载初期，压缩载荷出现较高的峰值，并在初始压溃后迅速下降至吸能平台段，在小范围内波动。内径为60和80 mm的玻纤/铝混杂圆管试样，在到达吸能平台后继续下降直至较低的水平。此现象主要由于这两种试样在加载端发生了屈曲失稳，并产生类似钻石渐进变形模式，削弱了材料利用率，无法提供稳定的渐进吸能平台。

图  9  纤维/铝细观混杂薄壁圆管的准静态压缩响应曲线：(a)碳纤/铝混杂；(b)玻纤/铝混杂

Figure  9.  Quasi-state compression curves of composite/aluminum hybrid tubes: (a) carbon fiber /aluminium hybrid; (b) glass fiber /aluminium hybrid

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纤维/铝细观混杂薄壁圆管试样的失效形貌如图10所示。可见，内径为40 mm的碳纤/铝混杂和玻纤/铝混杂试样的失效形貌与均质纤维复合材料试样基本相同。圆管壁面撕裂为多个花瓣，并分别向内外翻转，纤维与铝板表面依旧保持较大面积的粘接。此现象说明，纤维复合材料在环向的撕裂失效过程诱导了内嵌铝合金层的变形，使铝合金层可通过分瓣撕裂吸收更多的能量。从另一方面分析，插入高韧性铝合金层提高了纤维复合材料薄壁的撕裂能量，理论上增加了结构的吸能潜力。结构的吸能途径主要包括：纤维复合材料和铝合金管壁的分瓣撕裂、纤维复合材料基底分层断裂、铝合金塑性变形以及结构与压盘之间摩擦等。通过扫描电子显微镜(SEM)对失效后的样件进行了观察，如图10(c)所示。铝合金薄板表面存在大量纤维碎片与残留树脂痕迹，这表明纤维复合材料与铝合金粘接强度较高，其在压缩过程中的相互作用对增强结构能量吸收起到了关键作用。此外，为了探究内径60和80 mm的玻纤/铝混杂圆管试样在准静态压缩过程中未能形成稳定吸能平台的原因，本研究提取视频引伸计记录的60 mm混杂圆管试样压缩失效形貌，如图10(d)所示。结果显示，圆管试样在压缩载荷作用下首先出现类似钻石渐进变形模式的V字形失稳现象，随后在屈曲皱褶处出现结构撕裂。由于玻纤复合材料与铝合金薄板之间存在明显的力学性能差异，混杂层板出现剥离现象，显著削弱了轴向承载能力，从而降低了结构的耐撞性能。

图  10  纤维/铝混杂薄壁圆管的准静态压缩失效模式：(a)碳纤/铝混杂；(b)玻纤/铝混杂；(c)电子显微镜观察损伤形貌；(d)摄像机观察压缩失稳现象

Figure  10.  Quasi-static compression failure mode of composite/aluminum hybrid tubes: (a) carbon fiber /aluminium hybrid; (b) glass fiber /aluminium hybrid; (c) SEM failure morphology; (d) structural buckling performance

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2.2   细观混杂圆管准静态耐撞性能评价

薄壁吸能结构的安全防护机制是通过可控的结构变形和失效吸收冲击能量，从而减轻碰撞单位的损伤。为了量化评估复合材料/铝细观混杂结构的防护效果，本文采用耐撞性能参数作为评价指标，对结构的防护性能进行了系统性分析，相关的耐撞性指标计算结果详细列于表2中。

表  2  薄壁圆管试样的各类耐撞性指标汇总

Table  2.  Summary of crashworthiness parameters for thin-walled tubes

Type	Specimen number	SEA/(kJ∙kg−1)	PCF/kN	MCF/kN	CFE
Al alloy	Al-D41	35.58	58.35	33.48	0.57
	Al-D56	32.31	77.71	40.78	0.53
	Al-D76	28.48	108.34	48.36	0.47
CFRP	CF-D40	58.11	48.74	27.02	0.56
	CF-D60	55.85	61.23	38.54	0.64
	CF-D80	54.11	88.23	48.61	0.56
CF/Al hybrid	CAC-D40	54.91	33.69	26.87	0.80
	CAC-D60	48.81	48.29	35.64	0.74
	CAC-D80	41.62	70.27	40.24	0.57
GFRP	GF-D40	50.72	83.84	33.49	0.40
	GF-D60	50.45	125.82	50.17	0.40
	GF-D80	46.73	176.31	61.93	0.35
GF/Al hybrid	GAG-D40	43.03	50.38	27.00	0.54
	GAG-D60	18.49	74.31	17.35	0.23
	GAG-D80	12.30	79.91	15.38	0.20
Notes: SEA represents the specific energy absorption; PCF represents the peak crushing force; MCF represents the mean crushing force; CFE represents crushing force efficiency.

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根据表中的数据，可以观察到各类试样的比吸能(SEA)随管径的增加而呈现出下降趋势。此现象主要因为比吸能与材料利用率密切相关，铰小管径试样由于曲率更大，在向内外翻折及形成分瓣过程中材料变形程度更大，利用率更高，能够吸收更多能量。此外，除了屈曲失效的玻纤/铝混杂圆管外，铝合金圆管在所有样件中具有最低的比吸能。这表明与纯铝合金材料相比，复合材料在轻质吸能方面具有更优越的性能，更适用于安全防护结构。其次，细观混杂管的比吸能虽然略低于均质复合材料管，相较于铝合金管仍有54.3%的提升。这说明通过合理的设计，纤维复合材料与金属材料的细观融合可有效提升结构性能，实现结构吸能与轻量化的平衡。此外，纤维复合材料与铝合金的细观混杂设计中材料分界面可诱导结构的渐进失效模式，有效降低了试样的初始峰值载荷(PCF)，提高结构的压溃效率(CFE)。特别是，内径为40 mm的碳纤/铝混杂圆管展示了最高的压溃效率(0.80)和较高的比吸能(54.91)，从而证明了细观混杂吸能结构设计的有效性。

2.3   细观混杂圆管动态冲击响应

为探究各类型薄壁圆管试样的动态冲击响应，本研究以相同结构参数制备了圆管试样并开展了落锤冲击测试，其响应曲线如图11所示。图中用虚线标示了样件的平均压溃载荷(MCF)。与准静态加载实验的结构类似，落锤冲击响应曲线也可分为弹性段、吸能平台段和密实化段三部分。与准静态压缩的差异在于，样件在冲击加载的最终阶段表现出两种不同的载荷形式：一种是载荷急剧增加，另一种是载荷减少至零。此种差异主要由薄壁管材的总能量吸收能力决定。在动态冲击实验中，由于落锤的重量与下落高度保持不变，试样承受的冲击载荷总能量为定值。若样件的吸能超过落锤冲击能量，则最终载荷将减少至零；若样件的吸能未超过冲击能量，则样件进入密实化阶段，载荷急剧增加。因此，通过判断结构最终的载荷响应可简单地判断各类样件的总能量吸收。根据落锤冲击响应曲线可知，除了发生屈曲失效的玻纤/铝混杂试样外，其他类型试样的内径越大，总能量吸收越多，导致响应曲线载荷越早减少至零。玻纤复合材料圆管试样显示出最大的总能量吸收能力，仅需约30 mm的结构长度即可吸收全部冲击载荷能量。此外，与准静态压缩相同，铝合金圆管试样在吸能平台段的波动幅度最大，峰谷值差距高达50 kN，不利于碰撞物体的吸能防护。相较之下，各类型均质和混杂复合材料圆管在吸能平台段的波动明显降低，大部分曲线波动幅度低于10 kN，表明了复合材料试样具有更优的冲击吸能稳定性。

图  11  薄壁圆管试样的落锤冲击响应：(a)铝合金圆管；(b)碳纤复合材料圆管；(c)玻纤复合材料圆管；(d)碳纤/铝混杂圆管；(e)玻纤/铝混杂圆管

Figure  11.  Impact response of thin-walled tubes: (a) aluminium alloy; (b) carbon fiber reinforced composite; (c) glass fiber reinforced composite; (d) carbon fiber /aluminium hybrid; (e) glass fiber /aluminium hybrid

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在冲击载荷下，不同材料试样的渐进失效过程如图12所示。可观察到铝合金圆管试样展现出与准静态加载相似的圆环变形模式。随着加载进行，试样从加载端开始依次形成四个环形塑性铰。但不同于准静态加载的是，这四个塑性铰的尺寸存在一定差别，这主要与冲击载荷在加载过程中的动态变化有关。碳纤复合材料圆管在冲击中表现出脆性断裂失效，管壁从加载端开始，发生逐段断裂，迸溅形成烟雾状碎屑。由于内径为40 mm的碳纤复合材料圆管无法耗散全部冲击能量，试样最终进入致密化阶段，并在碳纤管壁形成大量环向裂纹。这些裂纹在冲击作用下迅速扩展，引发结构断裂，并在圆管内部形成大量条状碳纤碎片。这种失效模式也被称为碎裂失效模式。相比之下，玻纤复合材料的塑性高于碳纤维，在落锤冲击实验中表现出更好的抗断裂性能。在冲击加载过程中，玻纤复合材料管壁撕裂为8-10个内外翻转的花瓣，呈现出与准静态加载类似的分瓣压溃模式。当这些向内翻转的花瓣填满圆管内部空间时，玻纤复合材料圆管进入密实化阶段。

图  12  冲击载荷下各类薄壁圆管试样冲击载荷失效模式

Figure  12.  Failure modes of various thin-walled tubes under impact load

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碳纤/铝混杂圆管的压溃过程介于碎裂压溃与分瓣压溃之间，可见部分压溃后的碳纤/铝分瓣连接在剩余管壁之上，但相比准静态压缩结果更为残破。这是因为碳纤复合材料的强度较高，试样壁内铝合金薄板受到碳纤复合材料的约束作用，承受横向剪切及摩擦作用，随碳纤复材共同发生环向裂纹与撕裂。可以看到，韧性铝板的混杂设计有效提升了脆性本质复合材料在冲击载荷下的变形稳定性。

相比之下，玻纤/铝混杂圆管在冲击载荷下的失效模式与准静态加载基本相同，表现为稳定的分瓣压溃模式。当内径增大时，试样同样发生失稳，诱发大面积玻纤复合材料从铝合金表面剥离，并碎裂为较大尺寸的薄片。根据观察结果，此种薄片表面光滑平整，鲜有裂纹扩展痕迹，未能发挥材料的能量吸收功能，因此大内径玻纤复材/铝合金混杂圆管的屈曲失效模式降低了材料利用率和能量吸收能力，使载荷-位移曲线的平台段保持在较低的水平，难以如小内径试样耗散全部的落锤冲击能量。

2.4   细观混在圆管动态冲击耐撞性能评价

薄壁圆管结构在动态冲击状态下的能量吸收效果与准静态存在一定差异。为量化展示复合材料/铝合金细观混杂结构动态冲击的防护效果，本文将各类圆管样件落锤冲击实验中的耐撞性能参数总结于表3中。

表  3  动态冲击下薄壁圆管试样的各类耐撞性指标汇总

Table  3.  Summary of crashworthiness parameters for thin-walled tubes under dynamic impact

Type	Specimen number	SEA/(kJ∙kg−1)	PCF/kN	MCF/kN	CFE
Al alloy	Al-D41	36.13	83.46	42.27	0.51
	Al-D56	34.39	89.68	43.31	0.48
	Al-D76	31.55	125.09	48.03	0.38
CFRP	CF-D40	46.11	62.94	21.44	0.35
	CF-D60	46.20	79.07	31.88	0.42
	CF-D80	40.18	105.22	36.10	0.35
CF/Al hybrid	CAC-D40	40.24	45.96	16.69	0.43
	CAC-D60	39.20	73.21	28.62	0.40
	CAC-D80	36.78	106.11	35.56	0.34
GFRP	GF-D40	49.10	76.03	32.42	0.43
	GF-D60	43.25	81.54	43.01	0.53
	GF-D80	43.19	116.76	57.24	0.50
GF/Al hybrid	GAG-D40	45.05	62.99	28.27	0.44
	GAG-D60	17.75	83.03	16.66	0.32
	GAG-D80	13.81	94.23	17.26	0.23
Notes: SEA represents the specific energy absorption; PCF represents the peak crushing force; MCF represents the mean crushing force; CFE represents crushing force efficiency.

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与铝合金圆管试样相比，均质纤维复合材料和纤维/铝细观混杂圆管均展现出更优异的比吸能(SEA)。具体而言，均质纤维复合材料试样展现出最高的SEA，略高于复合材料/铝合金混杂试样，相比铝合金试样提高幅度约为30%。在所有试样中，玻纤复合材料圆管GF-D40具备最高的SEA(49.10 kJ/kg)，比对应的铝合金试样(Al-D40)提高了35.9%，比碳纤复合材料圆管(CF-D40)高了6.48%，此结果表明，具备稍强塑性的玻纤复合材料更适合于冲击载荷下的能量吸收。需要注意的是，未发生屈曲失效的情况下，玻纤/铝混杂试样的SEA明显高于碳纤/铝混杂。这可能是因为碳纤复材的碎裂失效模式与铝合金的失效模式难以兼容，在摩擦吸能方面相对较小；玻纤复合材料与铝合金在冲击载荷下的压溃模式更为接近，有助于形成多种损耗方式协调吸能的状态。在初始峰值(PCF)方面，碳纤复合材料和碳纤/铝混杂圆管试样表现出远低于对应的玻纤复合材料和玻纤/铝混杂试样的PCF。其中，碳纤/铝混杂试样CAC-D40具有最低的PCF数值(45.96 kN)。在平均压溃载荷(MCF)方面，铝合金圆管凭借金属材料的塑性变形吸能能力和应变率强化效应，得到了最高的MCF数值(48.03 kN)。而在压溃效率(CFE)方面，玻纤复合材料试样和玻纤/铝混杂试样的CFE数值相对较高，这表明试样载荷响应较为平稳，有助于减轻碰撞事故中由于强烈减速度所造成的对人体器官和大脑的伤害。综合考虑以上耐撞性指标，玻纤复合材料圆管和玻纤/铝混杂圆管在冲击加载工况下具有最佳的耐撞性能，进一步证明了纤维增强复合材料及混杂设计在冲击防护领域的适用性。

3.   结 论

本研究考虑金属与复合材料在加载变形过程中的能量吸收特点，设计并制备了一种纤维/铝交替铺层的混杂薄壁圆管结构。通过引入多个纤维复合材料与铝合金的分界表面，促进塑性金属与脆性复合材料在变形过程中的相互作用，以实现更高的材料利用率，改善耐撞性能。为验证混杂设计的有效性，本文分别采用准静态和动态冲击的加载方式，对比分析了混杂圆管与均质圆管的防护性能，并得到以下结论：

(1)准静态加载状态下，复合材料和纤维/铝细观混杂结构均发生稳定的分瓣撕裂渐进失效模式，表现出优异的耐撞性能。纤维复合材料通过限制径向变形改变了铝合金薄壁的失效模式，提升了结构吸能潜力。纤维/铝细观混杂结构的比吸能虽略低于均质纤维复合材料圆管，但细观混杂的设计有效降低了初始峰值载荷，显著提高压溃效率，同时可减少结构渗漏率，降低制造成本。对于大部分薄壁圆管试样，增加内径将提高总能量吸收和平均压溃载荷，但比吸能却会随之降低。对于玻纤/铝混杂圆管试样，内径的增大则导致了结构屈曲变形，引发了大面积纤维-铝界面分层失效，削弱了吸能效果。

(2)动态冲击加载状态下，基于金属材料的应变率强化效应，铝合金圆管的平均压溃载荷有明显提升，但初始峰值载荷也相应提高，导致压溃效率的明显降低。碳纤圆管的失效模式从分瓣撕裂转变为渐进碎裂，减弱了圆管与压盘间的摩擦吸能作用，降低了能量吸收能力。而碳纤/铝混杂圆管的失效模式转变为分瓣撕裂与渐进碎裂的混合形式，铝板的混杂设计虽改善了碳纤薄壁结构的变形稳定性，但总能量吸收能力还是有所降低。相比之下，玻纤复合材料圆管和玻纤/铝混杂结构的动态失效模式与静态加载状态下基本一致，吸能特性对加载速率不敏感，且表现出较高的比吸能和压溃效率，证明了纤维材料在轻质-碰撞防护领域的适用性。