基于实验和RSM（随机结构模型）方法研究铝/碳混合复合材料在轴向载荷作用下的抗撞性能 作者：Tabrej Khan, Rahul Chamola, Harri Junaedi, Tamer A. Sebaey

《Journal of Composites Science》：Experimental and RSM-Based Investigation of the Crashworthiness Characteristics of Aluminium/Carbon Hybrid Composites Under Axial Loading Tabrej Khan, Rahul Chamola, Harri Junaedi and Tamer A. Sebaey

　　摘要 金属-聚合物混合复合材料结合了金属的高强度和刚性以及聚合物的低重量和耐腐蚀性。这种协同作用有望提供比传统单一材料结构更好的抗撞性、能量吸收能力和设计灵活性。本研究旨在通过使用Design Expert软件优化工艺参数并进行实验研究，来考察铝/碳纤维增强塑料（CFRP）结构在各种工况下的抗撞性特征。实验设计采用了Design Expert软件13.0版本和响应面方法（RSM），其中工艺变量包括工作温度、等温保持时间和压碎速度。测试结果表明，当工作温度设为25°C、等温保持时间为13小时、压碎速度为5毫米/分钟时，样品的峰值载荷、能量吸收（EA）和比能量吸收（SEA）显著提高。此外，与其他样品相比，该样品的EA和SEA也相对较高。测试结果表明温度是影响管材力学性能的关键因素，这一点在实验结果中得到了明显体现。更高的峰值力和EA表明材料具有更强的强度和更好的能量耗散能力。同时，实验测量结果与基于RSM的优化结果之间也存在密切的相关性。因此，RSM被认为适用于实验设计以及理解CFRP/铝结构的失效模式。

1. 引言
多年来，传统金属因其优异的力学性能而被公认为各种工程应用的首选材料[1]。近年来，碳纤维增强塑料（CFRP）等复合材料越来越受欢迎，用于替代传统材料，以开发轻质高强度材料，以实现特定的性能要求，如刚性、强度和抗冲击性能[2]。针对薄壁金属和复合材料结构进行了大量研究，重点关注轴向载荷下的压碎性能、失效模式和能量吸收（EA）[3,4,5]。最初，研究人员主要研究纯复合材料的抗撞性；后来他们将重点转向了混合复合材料合金[6]。由于混合复合材料合金在压缩载荷下具有更慢的裂纹扩展速度、渐进式压碎过程以及更高的比能量吸收（SEA），因此比传统复合材料更受青睐。例如，Shin等人[7]研究了铝/玻璃纤维增强聚合物混合方形管在轴向和弯曲载荷下的EA响应[8]。研究证实，90°层铺层顺序的混合管表现出最佳的EA性能，优于0°和±45°层铺层顺序。平均压碎载荷受管材厚度的影响；但在弯曲失效评估中，0°/90°层铺层顺序优于其他混合管铺层顺序[9]。随后，人们还研究了铝/CFRP混合方形截面的抗撞性[10,11]。他们观察到复合材料可以通过轴对称、非轴对称和复合模式发生失效[12,13]。研究表明，失效模式与层铺层方向有关：当层铺层角度为15°时，失效模式是轴对称的；而当层铺层角度为45°时，失效模式几乎是非轴对称的[14]。Palanivelu等人[15]进一步研究了不同几何形状（圆形、圆锥形、沙漏形、方形和六边形）、厚度和触发机制的玻璃/聚酯复合管的压碎行为。他们发现几何形状和尺寸比显著影响了失效模式和EA[16,17]。Liu等人[18]研究了填充铝蜂窝材料的CFRP方形管的压碎行为，结果表明，与裸露的CFRP相比，填充铝蜂窝材料的峰值载荷和EA分别提高了12.41%和10.49%至27.22%和21.83%[19]。他们认为，铝蜂窝材料的添加是由于加载过程中产生的不对称变形所致。在另一项研究中，Liu等人[20]评估了相同样品的侧向和弯曲响应，发现填充铝蜂窝材料的CFRP具有更好的EA和SEA性能。Tamer A. Sebaey[21]研究了预压碎温度（90°C至180°C）对碳/环氧树脂复合矩形管在轴向压缩下的抗撞性影响[22,23]。研究发现，随着温度从室温（RT）升高到120°C，承载能力下降了40%，EA降低了70%。这种性能下降归因于热老化导致的界面强度降低。为了评估横向载荷下的优异抗撞性，研究人员研究了填充多壁碳纳米管的铝-玄武岩/玻璃混合复合材料管[24,25]。实验结果表明，碳纳米管的加入有助于减少分层和纤维断裂，因为它们具有强界面结合[26]。近期文献强调了金属-聚合物混合材料和复合材料在交通、基础设施、医疗保健和能源领域的日益重要性[27]。一篇综述详细介绍了多材料混合结构和先进的连接方法，如快速机械和热机械互锁，以实现减重和增强强度[28]。一项实验研究使用响应面方法（RSM）分析了GFRP包裹的铝圆柱体在轴向压缩下的抗撞性，结果证实了其抗撞性得到了改善。Akhtar等人[29]的最新综述文章强调了金属氧化物-聚合物混合复合材料在生物医学、能量存储、化学、热稳定性、电导率等领域的潜力，进一步突显了这类材料的日益重要性和研究机会[30]。根据上述研究，不同复合管的抗撞性特性通常受到多种参数的影响，如材料类型和性能、层铺层顺序、体积分数、管材几何形状、截面形状、制造方法、加载条件、压碎速率、温度、湿度和边界条件[29,31]。尽管有上述研究，但对于CFRP与金属结构的系统实验和数值研究仍相对不足。目前尚不清楚各种工艺参数及其相互作用如何影响CFRP-金属结构的抗撞性，需要进一步的实验研究。在本研究中，仅考虑了三个参数：工作温度、等温保持时间和压碎速度，用于铝/CFRP复合材料的轴向压碎测试[32,33]。据我们所知，这是首次使用Design Expert软件通过RSM进行实验设计，以优化多个工艺变量。随着时间的推移，优化技术（尤其是RSM）已被广泛采用，因为它们提供了一种系统和统计框架，可以在较少的实验次数下分析工艺变量。此外，RSM有助于实施高效且经济的方法，以更好地捕捉变量之间的相互作用，从而最大化抗撞性特性。

2. 材料与方法
本研究考察了薄壁圆形铝/CFRP管在轴向压缩下的抗撞性，如图1所示。样品采用6063-T6铝合金制备，其相关性能见表1。选择6063铝合金是因为它在粘附性和与CFRP的兼容性方面具有平衡性，能够再现压碎行为。表1列出了铝样品的性能[34]。CFRP样品是在实验室使用0°/90°编织的T300碳纤维/环氧树脂预浸料系统制备的。纱线和树脂的具体材料性能见表2[34]。复合管样品由Toray公司提供，该公司在编织、编织、纤维缠绕和预浸等标准工艺中表现出卓越的可靠性和可加工性。在本实验中，复合管由一根内径和外径分别为25毫米和30毫米、长度为45毫米的圆形铝管制成，并用碳纤维包裹。碳纤维层非常薄，仅为1.5毫米，并以±45°/0°/90°/0°/0°/±45°的平衡顺序排列，以增强轴向和弯曲刚性。铝管的表面经过滚花处理，而碳纤维则通过层铺层方法制备。碳纤维复合材料的固化行为主要受温度影响。加工过程中，预热温度保持在30至70°C之间，随后在80至90°C下进行硫化。最终固化在130°C下进行，持续时间为150分钟。本研究中使用的预浸料含有67%的纤维体积和33%的环氧树脂（按重量计）。在制备圆柱形管时，预浸料两端连接处的位置会影响应力分布、失效行为和管的均匀性。接缝的重叠会导致压碎过程中的局部厚度增加，从而引起不对称失效。通过控制纤维方向和使用芯轴可以使预浸料边缘以对接方式连接，避免重叠。通过螺旋缠绕、手工层铺层过程中的去块处理以及确保均匀的壁厚，可以控制接缝效应，从而避免这种问题。将选定的树脂浸入结构并在受控温度和压力下固化后，将混合管切割并加工成规定的测试形状和尺寸。这一内部制造过程允许严格控制材料质量和加工条件。在本研究中，使用Design Expert软件设计了13个样品，并与纯铝/CFRP样品一起进行了抗撞性测试。

2.1. 实验设计
本实验采用RSM和Box-Behnken设计方法优化三个独立变量：工作温度、等温保持时间和压碎速度。用于实验的各种变量范围见表3。这些变量的选择基于全面的文献回顾。选择的压碎速度范围为2至5毫米/分钟，以确保稳定的渐进式压碎过程，实验散布最小，并在样品之间保持一致对比，同时避免动态放大效应。表3列出了使用软件设计的实验配置。样品编号从S1到S13，其中S表示一组特定的参数。虽然使用Design Expert软件设计了17个实验，但为了避免混淆，部分重复实验被省略了。所有获得的样品都经过了测试，以验证结果的重复性。尽管实验结果应基于至少3个或5个样品，但本研究并不完全依赖于实验数据。本研究旨在使用Design Expert软件优化工艺参数，软件建议了最佳的工艺变量组合，且仅使用了一组数据进行实验。

2.2. 分析方法
使用Design Expert软件10.0.7.0版本进行了实验分析和图形表示。本研究中的响应面回归采用多项式方程（1）进行建模，表达如下：
(1)
其中，Y表示响应值，Xi和Xj表示未编码的独立变量，k表示优化的因素数量，α是系数，ε是随机误差[35]。

2.3. 轴向压碎测试
轴向压碎测试在多种温度下进行，使用的是300 kN万能试验机（UTM）[36,37]。每个管子按照图2所示的实验设计安装在试验机上。压碎速度设置在2至5毫米/分钟范围内。图2显示了UTM-300 kN上的混合合金轴向压碎测试过程。每个样品加载至达到80%的轴向应变或突然的载荷下降（表示承载能力丧失），此时测试停止。测试过程中，机器记录了整个载荷-位移历史数据，随后将其转换为应力-应变数据，用于计算抗撞性参数，如峰值载荷、平均载荷、压碎力效率、EA和SEA。测试前，样品在指定温度和时间内在烤箱中处理，以确保所有样品具有相同的湿度和热状态，如图3所示。图3显示了样品在烤箱中的处理过程。

2.3. 抗撞性指标
为了评估薄壁铝/CFRP结构的抗撞性，通常使用多种评估标准。下面详细介绍了每种评估标准。**峰值载荷（Peak Load, Pmax）**
峰值载荷（Pmax）指的是在预压阶段达到的最大载荷。它反映了结构在材料开始逐渐变形之前所提供的最大抵抗力。

**2.3.2 平均压碎力（Mean Crushing Force, Pmean）**
平均压碎载荷（Pmean）是在压碎过程中承受的平均载荷。它表示为EA与压碎位移的比值。

**2.3.3 压碎力效率（Crush Force Efficiency, CFE）**
压碎力效率（CFE）是平均压碎力与峰值载荷Pmax的比值。较高的CFE表明压碎性能更好，如以下公式（2）所示：

**2.3.4 能量吸收（Energy Absorption, EA）**
能量吸收（EA）是通过载荷-位移曲线所围成的面积获得的。较高的EA有助于提高结构的安全性，其数学表达式为：

**2.3.5 单位质量能量吸收（Specific Energy Absorption, SEA）**
单位质量能量吸收（SEA）定义为压碎结构每单位质量（m）所吸收的能量。较高的SEA值意味着结构性能更好。

**3. 结果与讨论**
进行了轴向压碎实验，以确定不同配置下复合管的失效机制并测量其抗冲击性能。使用UTM进行测试，所有试验的十字头速度保持在2 mm/min至5 mm/min之间。实验设置考虑了三个关键影响因素，详见“材料与方法”部分。评估了五个抗冲击性能参数，以衡量轴向压碎性能：Pmax、Pmean、CFE、EA和SEA。

**3.1 载荷-位移曲线（Load-Displacement Curves）**
载荷-位移曲线如图4所示：图4a表示纯铝管，图4b显示CFRP管，图4c描绘了铝/CFRP混合复合管。纯铝试样的外径为30 mm，长度为45 mm，在室温（RT）下进行压碎，以便与其他试样进行比较分析。温度保持在25 °C，持续13小时后，以5 mm/min的压碎速度进行轴向压缩。选择这些参数是因为S8试样具有最佳的承载能力和EA。纯铝管的峰值载荷为30,840 N，大约是S8的2.6倍。同样，CFRP复合管的轴向压碎试验得到的Pmax为23,385 N，几乎是S8的3.45倍。铝管表现出较高的载荷，并显示出典型的渐进式塑性屈曲和折叠压碎模式。相比之下，由于CFRP的脆性，其在整个测试过程中的压碎载荷最低。纤维断裂、基体开裂和界面脱粘导致Pmax值较低。此外，混合复合管的表现优于两者，保持了最高且最稳定的压碎性能。在混合复合管中，铝的延展性支持渐进式折叠，而CFRP的脆性提供了刚性，从而延迟了分层和局部屈曲。

**3.2 初始峰值力与平均压碎力（Initial Peak Force and Mean Crushing Force）**
具有最大压碎载荷的试样的载荷-位移曲线如图5所示。该曲线表明载荷逐渐增加，直到达到初始峰值，然后随着压碎的进行而减小。所有样本的峰值载荷都出现在1–5 mm的范围内。载荷-位移曲线达到一个峰值后，在整个压碎测试过程中斜率持续下降。这种曲线趋势与管壁的压缩剪切断裂有关。这种趋势与早期研究[6,38,39,40]中描述的复合管行为相似。

**3.3 结果与讨论（续）**
研究发现，在室温（RT）下，压碎速率为5 mm/min且等温保持时间为13小时的S8试样表现出最大压碎载荷为80,650 N。当压碎速率增加到3.5 mm/min时，Pmax再次增加到64,630 N。当温度保持不变但压碎速率降至2 mm/min时，载荷降至56,365 N。因此，在室温下，压碎速率的影响比其他因素更为显著。测试结果表明，压碎速率是室温下的关键因素，因为它直接控制应变率。应变率影响失效模式以及材料吸收能量的方式。此外，当温度约为63 °C且等温保持时间为24小时时，压碎载荷在5 mm/min和2 mm/min的压碎速率下分别为65,725 N和58,845 N。在较高温度下，压碎载荷显著降低，但压碎速率的影响仍然存在。观察到，在高温下，材料的热软化影响了其结构完整性，导致压碎载荷低于室温下的值。然而，即使有热软化，压碎速率的影响仍然明显，因为5 mm/min下的载荷高于2 mm/min下的载荷。这表明较高温度会削弱材料，但较高的压碎速率提供了相对更大的抵抗力。因此，温度和压碎速率都是影响承载能力的重要因素。

**3.4 能量吸收能力（Energy Absorption Capacity, EA & SEA）**
EA和SEA是评估结构构件在轴向载荷下抗冲击性能的两个关键参数。较高的EA值表示结构在失效前吸收能量的能力更强，降低了灾难性倒塌的风险。本研究中，EA值范围为984.3 J（S3）至1173.6 J（S8），大多数试样的EA值在1000 J至1100 J之间。EA数据表明能量耗散的一致性和稳定性。SEA对于高强重比应用同样重要，其值范围为54.1 J/g至64.6 J/g，大多数试样的SEA值在57 J/g至62 J/g之间。较高的SEA值表明结构每单位质量能吸收更多能量，这对于轻量化应用至关重要。在测试的试样中，S8表现出最佳性能，其EA为1173.6 J，SEA为64.8 J/g。相反，S3的EA和SEA值最低，表明其抗冲击性能较差。其余试样的EA和SEA值处于中等范围。较高的EA值确保材料在突然倒塌前能够耗散大量冲击能量。同时，较高的SEA表明材料能够在较少的质量下吸收更多能量，这对于汽车、航空航天和国防等工程领域尤为重要。

**3.5 压碎力效率（Crush Force Efficiency, CFE）**
研究中的混合复合样品的CFE值范围为0.44至0.59，表明在峰值压碎后具有中等到高的稳定性。大多数管配置的CFE值在0.50至0.51之间，表明复合材料能够在轴向压碎过程中承受一半的峰值载荷。然而，一些复合样品的CFE值高达0.58–0.59，反映了结构完整性的增强和显著的能量吸收。最低的CFE值（0.44）出现在S8样品中，这是由于在低温下峰值载荷（80,650 N）较大，导致材料保持强度和硬度，从而限制了渐进式塑性变形。此外，较高的压碎速率会增加应变率，导致位错运动和细胞壁折叠，从而使变形更加局部化，导致Pmax和Pmean之间的差异增大，从而降低CFE。复合管中的较高CFE表明结构在轴向压碎过程中保持了稳定的承载能力，有利于能量吸收应用。

**3.5 失效模式（Failure Modes）**
混合复合管试样的失效模式总结在表6中。数据显示，管子的失效分为三个主要阶段：初始端部压碎、不稳定的局部屈曲和最终坍塌。当管子首次受到压碎载荷时，边缘形成微裂纹，并随着载荷的增加而迅速扩展。随着载荷的继续增加，管壁在达到临界峰值力后发生局部屈曲，导致纤维向外扩展并形成花瓣状断裂模式。随后，基体开裂，导致纤维拔出，最终管子完全坍塌。

**4. 预测与实际对比（Predicted vs. Actual Comparison）**
图6使用Design Expert软件生成了预测与实际对比图，以分析预测模型的压碎载荷性能。X轴表示实际压碎载荷，Y轴显示预测压碎载荷。直线表示理想情况，即预测值与实际值完全匹配，代表模型拟合完美。压碎载荷用方形符号标记，每个符号代表一个具体的实验运行。蓝色方形表示较低的值，绿色方形表示中间值，红色方形表示最高压碎载荷。大多数数据点接近直线，表明模型对于较低和中等压碎载荷值非常准确。

**4.1 方差分析（ANOVA）**
实验的方差分析结果见表7，表明模型是否显著、拟合度、R2值、调整后的R2值、F值和p值。RSM模式的结果表明模型非常可靠，适合预测响应。模型具有显著性，表明所选变量对输出（即压碎载荷）有显著影响。实验结果中微不足道的拟合度不足证实了残差变异是由随机误差引起的。较高的R2值（0.9739）和调整后的R2值（0.9404）表明该模型具有出色的预测能力，并且过拟合现象很小。此外，较高的F值（20.57）进一步支持了模型变量对输出结果的强烈统计影响。表7显示了RSM分析的实验结果方差分析（ANOVA）结果。产量的预测值是通过使用二次回归方程（5）计算得出的，具体如下：

压碎载荷 = 59,068 ? 505.62A ? 1279.37B + 6133.75C + 1163.75AB ? 5427.50AC ? 2062.50BC + 3500.37A2 ? 197.13B2 + 4409.13C2 （5）

方程（5）清楚地表明，输出结果受到A、B和C等工艺变量的显著影响。这些工艺变量对输出变量的影响将在后续小节中进行详细解释。

4.2 独立参数对压碎行为的影响
观察发现，工作温度、等温保持时间和压碎速度在决定压碎载荷方面起着重要作用。

4.2.1 压碎速度与温度因素
在保持第三个因素（等温保持时间）不变的情况下，两个工艺参数——温度（°C）和压碎速度（mm/min）对压碎载荷（N）的影响通过图7中的3D曲线进行了说明。X轴表示温度（A），范围从25°C到100°C；Y轴表示压碎速度（C），范围大约从2 mm/min到5 mm/min；Z轴表示压碎载荷，范围在56,265 N到80,650 N之间。图7使用Design Expert软件生成的3D表面图展示了速度和温度对压碎载荷的影响。3D图采用颜色编码：蓝色表示较低的值，绿色表示中等值，红色表示较高的压碎载荷。3D图上的红色实心点表示偏离最佳拟合线的实际实验数据。观察到压碎载荷与温度和速度之间存在非线性关系，在较低温度和较高速度下压碎载荷会增加。蓝色区域表示最低的压碎载荷，表明混合管在高温和低速条件下的结构完整性较差。从曲线的变化可以明显看出，压碎载荷受到温度和速度的影响，从而可以确定出在结构应用中具有更高承载能力的最佳参数区域。

4.2.2 等温保持时间与压碎速度因素
图8中的3D表面图显示了在温度（A）保持为62.5°C的条件下，两个工艺参数（等温保持时间和压碎速度）对压碎载荷的影响。X轴表示时间范围从2小时到24小时，Y轴表示速度范围从2 mm/min到5 mm/min，Z轴表示压碎载荷。图8使用Design Expert软件生成的3D表面图展示了等温保持时间和速度对压碎载荷的影响。3D曲线表明，压碎载荷随速度的增加和暴露时间的缩短而增加。较短的加工时间和较高的速度可以提高压碎过程中的结构性能，而较长的等温保持时间和较低的速度会导致压碎载荷显著下降。因此，可以确定出在压碎载荷下实现更好结构性能的最佳参数组合。

4.2.3 等温保持时间与温度因素
图9使用Design Expert软件生成的3D表面图研究了在速度保持为3.5 mm/min的情况下，温度和等温保持时间对压碎载荷的影响。X轴表示温度，Y轴表示时间，Z轴表示压碎载荷。图9显示，随着等温保持时间和温度的升高，压碎载荷也会增加，但在低温和长时间条件下压碎载荷最低。然而，这些变量对压碎载荷的影响较小，并非呈指数关系，因为图表颜色接近蓝色。由于纤维复合材料相对于纯金属或合金对应变率的敏感性较低，压碎速度对混合管的影响也较为轻微。聚合物复合材料具有中等程度的应变敏感性，这导致压碎过程中的承载能力和能量吸收（EA）略有变化。图9使用Design Expert软件生成的3D表面图展示了时间和温度对压碎载荷的影响。

本研究采用基于RSM优化的Design Expert软件进行实验设计，与传统方法相比具有显著优势：能够通过更少的试验次数、更短的时间、更低的成本和更少的材料使用量系统地优化多个变量。与标准方法不同，RSM能够有效捕捉因素之间的交互作用和非线性效应，从而得出更精确的预测模型。从工业角度来看，这种分析有助于更高效地确定最佳工艺参数，提高可靠性、降低成本并提高准确性。

5. 结论
本研究使用实验性的RSM优化方法分析了铝/碳纤维增强塑料（aluminium/CFRP）管的轴向抗压性能。通过典型的载荷-位移图和观察到的失效模式评估了其抗压性能。确定了在测试样品中实现最大压碎载荷的最佳参数（工作温度、等温保持时间和压碎速度）。S8材料的Pmax（压碎载荷）和EA（能量吸收）分别为80,650 N和1173.6 J，而S2材料的Pmax最低（56,265 N），S3材料的EA最低（984.3 J）。此外，铝/CFRP管的SEA（能量吸收密度）S8最高（64.8 J/g），S3最低（54.4 J/g）。数据表明，在较高温度下，铝/CFRP的压碎性能较差，导致在压碎载荷下的结构性能下降。复合管的失效主要表现为三种模式：渐进式端部压碎、不稳定的局部屈曲和不稳定坍塌。除了本研究选定的三个参数外，管材尺寸也是一个重要因素。通过将管材尺寸作为优化抗压性能的变量之一，可以进一步探讨复合管的抗压性能。