二维编织层压板湿热环境下冲击后压缩性能的实验研究

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斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析

网络首发地址：https:///urlid/42.1755.TJ.20230925.1637.001期刊网址：引用格式：和卫平, 刘明, 魏建辉, 等. 斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(5):166–172.HE W P, LIU M, WEI J H, et al. Analysis on compression behavior of woven carbon fiber reinforced thick composite laminates under low velocity impact[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(5): 166–172.斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析扫码阅读全文和卫平1，刘明1，魏建辉*1，康逢辉2，葛辛辛3,4，张攀*41 武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 4302052 洛阳船舶材料研究所，河南洛阳 4710233 中国船舶科学研究中心，江苏无锡 2140824 华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉 430074摘要:［目的］为分析冲击损伤对层合板压缩强度和失效行为的影响，对冲击后的编织碳纤维复合材料层合厚板开展面内压缩试验和数值仿真研究。

［方法］通过建立有限元模型，开展层合板冲击后的压缩仿真分析，采用Fortran 语言编写用户自定义材料子程序（VUMAT ），实现改进的Hashin 失效准则和基于损伤变量的材料退化模型在ABAQUS/Explict 中的应用；从压缩强度和压缩破坏模式两方面将数值模拟与试验结果进行对比，验证所建立数值模型的有效性。

［结果］结果显示，冲击损伤会降低层合板的压缩强度，无损层合板的压缩失效模式为端部破坏，冲击后的层合板会出现横贯试件中部的截断式破坏；冲击后的压缩强度会随冲击能量的增大而降低，但压缩强度与冲击能量之间并不存在线性关系；层合板损伤行为的拓展与压缩载荷的历程密切相关，压缩载荷在达到层合板破坏载荷的阈值之前，层合板的损伤几乎没有发生拓展，一旦压缩载荷达到阈值，损伤将沿宽度方向迅速拓展，最终发生横贯整个模型宽度方向的压缩损伤。

玻璃纤维复合材料层合板冲击后的压缩强度

ＴｈｉｉｌｍｅｔｄｌａｓａｌｈｄｔｉｌｔｈＡＩｓｅｇｈｗｔｎｅｕｖｌｎｏｅａｄａｒｄｃｄｓｉｎｓｎｌ — ｅｆｔｅｅｎｎｅｍｏｅｓｅｔｂｉｅｓｍｕａｅｔｅＣｔｎｔｉａｑｉａｅｔｌｎｅｕｅｔｆｅｓｉｃｕｗｓｏｒｈｈｆ
ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｔｄｈｆｃｆｌｗ —ｖｌｃｔｍｐｃｏｔｅｒｓｕｌｃｍｐｅｓｖｔｎｔｆｃｍｐｓｔａｎｔｓｈｏｓｕｙｔｅｅｆｔｏｅｏｅｏｉｉａｔｔｅｉａｏｒｓｉｅｓｒｇｈｏｏｏｉｌｍｉａｅ，ｔｅｙｈｄｅｅ
ｄｏ — ｉｈｍｐｃｓｎｏｒｓｉｅｆｉｒｅｔｗｒａｒｅｕｎａｋｎｆｔｒｐ—ｗｅｇｔｉａｔｅｔａｄｃｍｐｅｓｖａｌｅｔｓｓｅｅｃｒｄｏｔｏｉｄｏｔｓｕｉｗｏ—ｄｍｅｓｎｖｎｇａｓｆｂｃ — ｉｎｉａｗｏｅｌｓａｒｏｌｉｒｉｆｒｅｐｘａｎｔｔｉｅｅｔｈｃｎｓ．Ｔｅｆｒｆａｇｅｅｃａａｔｒｅｙｓａｉｇｍｅｈｄｎｅ—ｐｙｅｎｏｃｄｅｏｙｌｍｉａｅｗｉｄｆｒｎｉｋｅｓｈｏｍｓｏｍａｅｗｒｈｒｃｅｚｄｂｈｄｎｔｏｓａｄｄｈｆｔｄｉｌｍｅｈｄ．Ｔｅｒｌｔｎｈｐｂｔｅａｇｉｔｔｏｓｈｅａｉｓｉｅｗｅｎｄｍａｅｗｄｈ，ａｅ，ｒｓｄａｔｎｈ，ｍｏｕｅｎｎｒｙｏｍｐｃａｉｃｓｅ．ｏｒａｅｉｕｌｓｒｇｅｔｄｌｓａｄｅｅｇｆｉａｔｗｓｄｓｕｓｄ

二维编织复合材料管件轴向压缩性能研究

向压缩性能测试．分析并探讨了编织参数对复合材料管件纤维体积含量及轴向压缩性能的影响。结果表明：优化后的复合工
艺可保持复合材料管件纤维体积含量在２０％～４０％￣－间，同时使得复合后管件的内径达到一致；在编织速度不变的情况下，随着编织节距的减小，编织角逐渐增加，纤维体积含量逐渐增加，当编织节距减小到一定程度后，纤维体积含量的增加变缓，而轴
２０１７年第１２期
玻璃钢／复合材料
５７
二维编织复合材料管件轴向压缩性能研究
檀江涛，马晓红，秦志刚
（河北科技大学纺织服装学院，石家庄０５００１８）
摘要：通过优化二维编织复合材料管件复合工艺，制作了碳纤维含量较高的碳纤维复合材料管件，同时对管件进行了轴
大庆昆仑５８号全精炼石蜡；宽度为１８ｍｍ的塑料透明胶带。
合材料的使用量逐年增加．尤其是在减轻汽车重量、提升汽车燃油利用率方面作出了突出贡献 ¨ ｌ，２］。复合材料是由高性能纤维预制件与树脂复合经常温或高温环境固化所得。复合材料主要依靠其高性能纤维预制件中的纤维自身断裂或纤维之间的弯曲摩擦等形式实现纤维结构的破坏，达到吸收外接能量的效果，因此预制件的制作工艺对复合材料的力学性
２．２试样制备

纬编双轴向织物增强复合材料压缩性能研究

１２期针织工。
纬编双轴向织物增强复合材料压缩性能研究
尚博，－．李嘉禄１，２
（１．天津工业大学复合材料研究所，天津３００１６０；２．天津市和教育部先进纺织复合材料重点试验室，天津３００１６０）
ＳｈａｎｇＢｏｌ－．ＬｉＪｉａｌｕ，
（１．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｒｒｉａ州ｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１６０，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｉａｎｊｉｎａｎｄＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｙｒｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｘｔｉｌｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｉｒａｌｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１６０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｒｅｅ－ｌａｙｅｒｂｉａｘｉａｌｗｅｆｔｋｎｉｔｔｅｄｃａｒｂｏｎｉｆｂｅｒ￣ｂｉｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓ — ｉｔｅｓｆｏｒｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｗｉｔｈｄｉｆｅｒｅｎｔｆｉｂｅｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｅｘｐｅｉｒ — ｍｅｎｔｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｔｈｅＶＨＸ一１０００１６－ｂｉｔＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｐｅｆｏｒｒｍｅｄｏｒｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｆａｒｃｅｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｏｍ— ｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｕｌｕｓｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｆｉｂｅｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｌｌｎｏｔｃｈａｎｇｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｉｆｂｅｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．Ａｎｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｆａｉｌｕｒｅｂｅｈａｖｅｓｔｈｅｂｒｉｔｔｌｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭｕｈｉｌａｙｅｒｅｄＢｉａｘｉａｌＷｅｔｆＫｎｉｔｔｅｄＦａｂｉｒｃ；ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ＦｉｂｅｒＶｏｌｕｍｅＦｒａｃｔｉｏｎ；Ｃｏｍ— ｐｒｅｓｓｉｏｎＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ＦａｉｌｕｒｅＭｅｃｈａｎｉｓｍ

温度对编织复合材料层合厚板冲击性能的影响研究

装备环境工程第20卷第9期 ·178·EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 2023年9月收稿日期：2023-08-14；修订日期：2023-09-06 Received ：2023-08-14；Revised ：2023-09-06引文格式：葛辛辛, 赵南, 屈毫拓, 等. 温度对编织复合材料层合厚板冲击性能的影响研究[J]. 装备环境工程, 2023, 20(9): 178-184.GE Xin-xin, ZHAO Nan, QU Hao-tuo, et al. Effect of Temperature on Impact Resistance of Woven Composite Thick Laminates[J]. Equipment 温度对编织复合材料层合厚板冲击性能的影响研究葛辛辛1，赵南1，杨骏1，屈毫拓1，欧阳旭宇1，张攀2*（1. 中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082； 2. 华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉 430074）摘要：目的研究室温和低温下编织复合材料层合厚板的冲击性能。

方法通过开展低速冲击试验和冲击后的压缩试验，对冲击响应曲线、冲击损伤容貌、压缩失效模式和剩余压缩强度进行分析，探讨冲击时的环境温度对编织复合材料层合厚板冲击性能的影响。

结果冲击后的编织复合材料层合厚板存在凹坑、分层、基体裂纹和纤维断裂等多种失效模式，压缩失效模式主要表现为横贯冲击损伤区域截断式破坏失效。

结论低温环境增强基体强度，降低了复合材料的冲击损伤程度，从而提高编织复合材料结构的剩余压缩强度。

关键词：编织复合材料；低速冲击；损伤；失效模式；压缩强度中图分类号：U668.1 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)09-0178-07 DOI ：10.7643/ issn.1672-9242.2023.09.020Effect of Temperature on Impact Resistance of Woven Composite Thick LaminatesGE Xin-xin 1, ZHAO Nan 1, YANG Jun 1,QU Hao-tuo 1, OUYANG Xu-yu 1, ZHANG Pan 2*(1. China Ship Scientific Research Center, Jiangsu Wuxi 214082, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)ABSTRACT: The work aims to study the impact resistance of woven composite thick laminates at room and low temperature. By carrying out the low-velocity impact test and post-impact compression test, the impact response curves, impact damage appearance, compression failure mode and residual compressive strength were analyzed and the effect of ambient temperature on the impact resistance of woven composite thick laminates was explored. The woven composite thick laminates after impact had many impact failure modes, such as pitting, delamination, matrix crack and fiber fracture, and the compression failure mode was truncation failure crossing through the impact damage area. The low temperature environment enhances the strength of the matrix, reduces the impact damage degree of composite material, and thus increases the residual compressive strength of the woven composite structure. The results of this study can provide references for the application in ice zone of the woven carbon fiber reinforced thick composite laminates.KEY WORDS: woven composite; low-velocity impact; damage; failure mode; compression strength复合材料因其具有高比刚度和高比强度的优异力学性能、抗疲劳性、耐腐蚀和易成形等特性，在船舶与海洋工程领域得到广泛应用[1]。

复合材料层合结构抗冲击性能研究进展

复合材料层合结构抗冲击性能研究进展石南南2,亢志宽1>2*,王利辉,王小娟2,赵卓(1.北京工业大学建筑工程学院，北京100124； 2.北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京100124)摘要：层压复合材料因具有良好的综合力学性能，被广泛用于工业民用、建筑桥梁、军事等结构中。

综述了四类复合材料层合结构的抗冲击性能，包括纤维增强复合材料、混杂纤维增强复合材料、仿生复合材料和功能梯度复合材料。

总结了国内外复合材料层合结构抗冲击性能的研究现状，分析四类常见复合材料层合结构的抗冲击特性。

结合复合材料层合结构抗冲击性能的研究进展，对未来复合材料层合结构在抗冲击方面的应用进行了展望。

关键词：复合材料；抗冲击性能；层合结构；堆叠顺序；功能梯度中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2021)02-0115-08层压复合材料由于具有良好的耐腐蚀、抗疲劳及良好的材料和结构可设计性等因素被广泛用于工业民用、建筑桥梁、军事等结构中。

然而，复合材料层合结构使用过程中，若受到冲击损伤，其内部会产生微观损伤，从而会严重影响复合材料层合板的剩余强度、耐久性及稳定性［1］。

因此，许多学者对层压复合材料在抗冲击性能方面进行了深入的研究。

通过整理相关文献,将常见的层压复合材料大致分成了纤维增强复合材料、混杂纤维增强复合材料、仿生复合材料和功能梯度复合材料四类。

纤维增强复合材料层合板［2］有很多优良特性,如比强度高、可设计性强等，被用于土木工程、军事、船舶等多个领域，纤维增强复合材料层合板还可以进一步分为碳纤维复合材料层合板［3］、玻璃纤维复合材料层合板［4］、芳纶纤维复合材料层合板［5］等。

混杂纤维增强复合材料板［6］是具有多种纤维特性的复合材料。

仿生复合材料层合板是根据生物材料的组分或堆叠顺序等因素而设计的。

生物材料融合了许多特性,高性能的轻质材料由相对较弱和普通的成分制成，是进化发展的结果［7,8］o功能梯度复合材料层合板［10］是组成元素不断变化的新型材料，具有更轻、更坚固、抗冲击性能更强等突出优点。

复合材料层压板冲击后压缩剩余强度的统计分析与可靠性评估

收稿日期： 2003-10-13 ；修订日期： 2004-02-12 基金项目：中国博士后科学基金（编号： 2003033039 ）和江西省材料中心开放基金（编号： ZX200301006 ）资助项目
574
航
空
学
报
第 25 卷
采用极大似然估计方法计算 Weibull 分布的形状参数 ! 与比例参数 " 的估计值 ! ^ 和 "。 ^ 通过求解下列一对似然方程，得到估计值 !
观测显著性水平由下式计算 0 SL = 1 /｛ 1 + exp ［ - 0 . 10 + 1 . 24ln （ A D * ）+ 4 . 48 （ AD* ）］｝（5） A D * =（ 1 + 0 . 2 / ! n） AD 。其中：如果 0 SL s 0 . 05 ，则样本不是来自 Weibull
［ 2 ~ 4］法。在该方法中，不仅将工作应变和许用强
^ "n !
^ n - nln" + ^ ! n源自^^ ! "!
^ ^ -1 n
n ^ 2 X! i = 0 i =1
（1）
^
2 lnXi i =1
2 i =1
( ")
Xi
^
^ !
（ lnXi - ln"） = 0
（2 ）式中：n 为样本大小；X（ …， n ）表示样本 i i = 1，中第 i 个观测值。根据上述方法，由本次冲击后压缩剩余强度数据（破坏应变）获得的估计值为 ! ^ = 27. 358 ，" -3 = 3. 676 X 10 。
表4 Table 4

二维编织复合材料力学性能分析研究进展

２０１６年第２期 Biblioteka 玻璃钢／复合材料
９１
二维编织复合材料力学性能分析研究进展
夏燕茂，秦志刚
（河北科技大学纺织服装学院，石家庄０５００１８）摘要：论述了二维编织复合材料力学性能研究进展，主要包括结构几何模型的研究、力学性能的实验研究和理论研究三
１结构几何模型的研究进展
对二维编织复合材料的力学性能的研究可以通过结构几何模型对力学性能预测和宏观力学性能分析相结合。通过几何结构模型分析二维编织复合材料细观结构特点，分析细观几何尺寸间关系，分析其力学性能。或者结合有限元建立各种分析模型，预测二维编织复合材料的力学性能。结构几何模型的发展为力学性能的预测分析提供基础。１．１细观结构模型
随着科技的进步，很多领域对材料性能的要求不断提高。传统的层合复合材料作为结构材料，在剪切强度、抗冲击性、断裂韧性等性能上均有致命的弱点，而编织复合材料的编织增强体中纤维相互缠结，显示出较强的整体性，它的剪切强度、抗冲击性、损伤容限等性能都优于传统的层合复合材料ｊ。同时编织工艺自动化，提高了生产率，复合工艺得到简化，降低了废品率。国内对二维编织复合材料的研究起步较晚，主要是探索材料细观结构与宏观力学性能方面之间的关系，力图依照这种关系来设计和优化复合材料。对于二维编织复合材料而言，编织增强体细观结构的复杂性，使得对其进行宏观力学性能预测增加了一定的难度。二维编织复合材料力学性能理论分析研究为实现二维编织复合材料结构性能优化提供理论研究基础并推动二维编织复合材料的研制和发展。

复合材料层板冲击损伤特性及冲击后压缩强度研究

第３卷第１１期
２１０１年２月
航
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材
料
学
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Ｖｏ．１３Ｉ，Ｎｏ．Ｉ
Ｆｂｕａｙ２ｅｒｒ０１１
ＪＲＮＡＬＯＲＯＮＡＩＡＬＭＡＴＲＩＳＯＵＦＡＥＵＴＣＥＡＬ
复合材料层板冲击损伤特性及冲击后压缩强度研究
合材料冲击损伤及其冲击后压缩强度（Ａ）ＣＩ的试验
研究一直是许多研究者关注的中心。
复合材料层合结构在制造和使用过程中，可不避免地会受到损伤，尤其是低能量物体的冲击：包括各种工具的掉落，飞、陆过程中从跑道卷起的石起着
特性和冲击后剩余压缩强度的关系。
１层合板冲击损伤试验研究
１１冲击试验装置．
复合材料韧性进行表征。由于低速冲击损伤压缩性
能与铺层材料、铺层顺序、度、件的边界条件、厚试支持条件以及冲击物的特性等多种因素有关，因此复
林智育，许希武，朱伟壶
（京航空航天大学航空宇航学院结构强度研究所飞行器结构力学与控制教育部重点实验室，京２０１）南南１０６
摘要：两种材料体系（３０Ｑ８１对Ｔ０／Ｙ９１和＂０／４５／层的复合材料层板进行三种支持条件（１０５０）铺＂３冲击点无支持、梁凸缘或长桁凸缘支持和肋凸缘支持）六种冲击能量等级的冲击损伤特性及冲击后压缩强度试验研究。讨论了冲、击能量、持条件等与冲击损伤特性和剩余压缩强度的关系，究结果表明，击表面凹坑深度和冲击损伤面积可支研冲

编织型复合材料的冲击及冲击后压缩强度的试验研究

进行试验和讨论，别是损伤后的压缩破坏试验特
合板，寸为１０尺５ｍｍ × ｌＯＯｍｍ × ３５．ｍｍ，标准按工艺成型，维体积含量（５２５。织方法为纤６士．％编
８Ｈ。树脂含量４ ±２５，层厚度０３ｍｍＯ．单．５预
可以适应高效率的自动化生产方式，层性好，铺在模塑过程中，保持纤维不错位，于制造各种不能易
１１试验方案：．根据本研究工作的基本思想即研究冲击过程的响应及冲击后损伤区周围的应力分布．实验本
１３冲击装置和冲击记录设备：．
冲击装置由可调的支架构成，击装置及记冲录装置见参考文献［］４。
１４试验条件与过程：．
针对这一新型编织复合材料的冲击响应及冲击后
压缩强度（ＣＡＤ进行研究，对结果进行讨论。并二维平纹编织复合材料板是较简单的纤维结构形
式。它是由多层预浸织物构成的，后经过一个与然
（）试验采用了四种冲击能量，细的情况１详见表。每种冲击能量用三个试件，击试验后，１冲试件进行Ｘ射线探伤，到冲击损伤尺寸．进得并
中图分类号：３２ＴＢ３

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

复合材料学报
A CTA M A T ER I A E COM PO S ITA E S I N ICA
第 18 卷第 1 期 2 月 2001 年
Vol . 18 N o. 1 Feb ruary 2001
文章编号: 100023851 ( 2001) 0120115205
收稿日期: 1999207215; 收修改稿日期: 1999209206 基金项目: 航空科学基金资助项目 (96B51017) 作者介绍: 程小全 (1967) , 男, 博士, 副研究员, 研究方向主要有复合材料力学、复合材料损伤力学、耐久性及损伤容限设计等。
・116・
复合材料学报表 2 不同能量冲击后板的前表面凹陷深度
试件的铺层
[ [ 45 02 - 45 902 - 45 0 45 90 ] S ] S [ [ 45 - 45 0 - 45 0 45 90 45 0 - 45 ] S ] S [ [ 45 0 - 45 0 - 45 0 45 0 90 0 ]S ] S [ [ 45 0 - 45 902 - 45 0 45 ] S ] S [ - 45 90 45 0 ] 4S
[ 1, 5 ] [1]
损伤 [ 3～ 5 ]。由于测试手段的限制, 对冲击后层合板的压缩破坏机理了解得还不十分清楚。目前已有的对低速冲击后层合板压缩破坏机理的描述大致有三类, 并有三种压缩破坏的分析模拟方法 [ 1 ]: ( 1) 软化夹杂法, 将冲击损伤等效成规则形状的软化夹杂, 然后用应力准则、应变准则或其它准则判定板的失效; ( 2 ) 子层屈曲法, 把冲击损伤看成是大小不同的多个矩形分层, 认为压缩破坏过程是各子层的屈曲, 当
低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

Z向增强复合材料层压板冲击后压缩性能试验研究

Z向增强复合材料层压板冲击后压缩性能试验研究ΞEXPERIMENTAL STU DY ON THE COMPRESSION AFTER IMPACT PROPERTIES OF Z2REINFORCED COMPOSITE LAMINATES李朝光ΞΞ　矫桂琼黄　涛杜　龙李　俊(西北工业大学工程力学系,西安710072)LI Chao Guang　J I AO GuiQiong　HUAN G Tao　DU Long　LI J un (Northwestern Polytechnical Univer sity,Department o f Engineering Mechanics,Xi′an710072,China)摘要　通过对三种Z向增强(包括改进锁式缝合、Tu fting缝合和Z2pin增强)复合材料层压板的冲击及冲击后压缩试验研究,得到Z向增强复合材料层压板的冲击后压缩强度,分析破坏模式和破坏机制,并与未增强层压板试验结果进行对比。

研究结果表明,由于Z向增强有效抑制了分层损伤,使三种Z向增强试件的破坏模式与破坏机制明显不同于未增强试件,大幅度提高了抗冲击性能,与未增强层压板相比,三种Z向增强层压板的冲击损伤面积大幅减小,冲击后压缩强度大幅提高。

分析缝合工艺对两种缝合试件抗冲击性能的影响,结果表明,与改进锁式缝合相比,Tu fting缝合试件的冲击损伤面积减小了12.42%,而冲击后压缩强度则增加了13.43%,说明Tu fting缝合试件的抗冲击性能优于改进锁式缝合。

关键词　Z2pin增强　Tu fting缝合　分层　冲击　冲击后压缩中图分类号　T B332Abstract　Z2rein forced(including m odified lock stitch,Tu fting and Z2pin rein forcement)com posite laminates under low velocity im pact and com pression after im pact were investigated experimentally,com pression strength after im pact were obtained,failure m odes and failure mechanisms were analysed,and the results were com pared with unrein forced com posite laminates.The results show that Z2re2 in forced appears to be effective in suppressing the delamination in the com posite laminates,s o it changes failure m odes and failure mech2 anisms of the Z2rein forced sam ples,thus it can im prove the im pact damage resistance of the Z2rein forced com posite laminates.The dam2 age area of the Z2rein forced com posite laminates reduced greatly com pare to unrein forced sam ples;com pression strength after im pact in2 crease rapidly.The effect of stitching techniques on the im pact damage resistance of the tw o stitched com posite laminates were analyzed, the results indicate that the damage area of the Tu fting sam ples lower than the m odified lock stitch by12.42%,while the com pression strength after im pact of the tu fting sam ples higher than the m odified lock stitch by13.43%,it shows that the per formance of the resis2 tance to im pact of the Tu fting sam ples better than the m odified lock stitch sam ples.K ey w ords　Z2pin reinforcement;Tu fting stitch;Delamination;Imp act;Compression after imp actCorresponding author:JIAO GuiQiong,E2mail:jiaogq@,Tel:ΠFax:+86229288431023The project supported by the National Natural Science F oundation of China(N o.10572116).Manuscript received20080918,in revised form20081112.1　引言复合材料层压板近年来已被广泛应用于航空工业,但层压板结构厚度方向的性能较低,尤其是对低速冲击损伤比较敏感。

cfrp层合板冲击后压缩失效分析数值模拟

摘要: 复合材料层合板的损伤容限是复合材料结构设计的关键因素ꎮ 针对碳纤维增强复合材料( ＣＦＲＰ) 层合板低速冲击
损伤和压缩破坏问题ꎬ本文基于连续损伤力学和粘结单元模型ꎬ在ＡＢＡＱＵＳ中对两种不同冲击能量下的层合板进行了低速冲
击和冲击后压缩仿真分析ꎬ并对层内和层间损伤进行了研究ꎬ分析了层合板的冲击损伤与压缩失效行为ꎬ通过与试验结果进行
二次冲击设备启动阻止试件受到二次冲击ꎮ 数据采
参数如表１
[１５]
所示ꎮ
定到夹具上ꎬ落锤从设定高度落下冲击试件ꎬ之后防
Ｔａｂｌｅ１ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣＦＲＰｌａｍｉｎａｔｅｓ
集系统利用压力传感器采集冲击过程中的冲击力
参数
数值
参数
数值
Ｅ１ / ＭＰａ
ＣＦＲＰ层合板冲击后压缩失效分析数值模拟
１２
２０２０年５月

ＣＦБайду номын сангаасＰ层合板冲击后压缩失效分析数值模拟
李要磊ꎬ 铁瑛 ∗ ꎬ 李成ꎬ 孙振辉
( 郑州大学机械与动力工程学院ꎬ 郑州
４５０００１)
２试验设备与方法
２１材料和试件
度对冲击后压缩强度的影响
[７￣１０]
[１２]
分考虑了三维应力状态时的拉伸和压缩破坏机制ꎮ
分离定律来捕获损伤的发生和损伤演化ꎬ对复合材
料层间损伤、层内损伤情况以及损伤容限进行了相
关研究ꎮ Ｇｏｎｚáｌｅｚ等
[１３]
采用连续壳单元和粘性表
面的有限元模型求解策略来模拟冲击后的压缩行
１３

２０２０年第５期
ｍｍꎮ 铺层顺序为[ ９０ / ４５ / －４５ / ０] ３Ｓ ꎬ层合板的材料

二维两轴编织铺层复合材料压缩弹性性能的一种计算方法

二维两轴编织铺层复合材料压缩弹性性能的一种计算方法徐倩;阎建华
【期刊名称】《纤维复合材料》
【年(卷),期】2016(033)004
【摘要】通过在体式显微镜下,观测编织铺层复合材料纱线走向,考虑纱线在交织处屈曲起伏,纤维轴向模量会有部分损失,提出纤维轴向模量损失系数§.通过测量编织复合材料中的基本参数,结合复合材料细观结构、弹性力学、迭层理论和多层等效弹性力学模型,利用推导出一套比较简单而实用的二维两轴编织铺层复合材料平均压缩模量的计算方法.实验结果表明:理论计算值与实测值吻合度较高,为编织复合材料的工业应用提供了一种简单而实用的弹性性能计算方法.
【总页数】7页(P18-24)
【作者】徐倩;阎建华
【作者单位】纺织面料技术教育部重点实验室,上海201620;东华大学纺织学院,上海201620;东华大学研究院,上海201620
【正文语种】中文
【相关文献】
1.二维二轴单向编织铺层复合材料拉伸性能的研究 [J], 施丽;阳玉球;阎建华
2.二维二轴编织铺层复合材料细观几何模型及拉伸模量的一种计算方法 [J], 柯常宜;覃小红;阎建华
3.二维三轴编织铺层复合材料开孔前后弯曲性能 [J], 朱露露;阎建华;顾海麟
4.二维二轴编织铺层复合材料压缩性能的研究 [J], 徐倩;阎建华
5.二维单轴与二轴编织铺层复合材料压缩性能 [J], 赵青青; 汤美晶; 阎建华
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小尺寸试件层合板低速冲击后的剩余压缩强度

小尺寸试件层合板低速冲击后的剩余压缩强度
程小全;张子龙;吴学仁
【期刊名称】《复合材料学报》
【年(卷),期】2002(019)006
【摘要】使用一种小尺寸试件试验方法来测量复合材料层合板低速冲击后的剩余压缩强度(CAI),以便减少试验费用,降低材料研制成本和周期.在试验研究的基础上,建立了复合材料低速冲击后剩余压缩强度估算的一种软化夹杂模型.该模型将冲击损伤等效成圆形低刚度的夹杂,用8节点等参元分析层合板的应力应变状态,以点应力准则为压缩破坏判据.理论分析结果与试验对比显示,该模型简单有效.
【总页数】5页(P8-12)
【作者】程小全;张子龙;吴学仁
【作者单位】北京航空航天大学,飞机设计研究所,北京,100083;北京航空材料研究院,北京,100095;北京航空材料研究院,北京,100095
【正文语种】中文
【中图分类】TB330.1
【相关文献】
1.复合材料层合板低速冲击后剩余压缩强度研究 [J], 姚振华;李亚智;刘向东;李彪;李玺
2.含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度预测 [J], 徐瑀童;左洪福;陆晓华;邵传金
3.含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度预测 [J], 徐瑀童;左洪福;陆晓华;
邵传金
4.复合材料层合板低速冲击及其剩余压缩强度 [J], 陆夏美;严实;曾涛
5.复合材料层合板的低速冲击损伤及其剩余压缩强度研究 [J], 江晓禹;刘雪惠因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

碳-芳纶二维编织复合材料层板的抗低速冲击性能

碳-芳纶二维编织复合材料层板的抗低速冲击性能孙颖;田书全;唐梦云;陈冬【摘要】为评价不同混杂结构复合材料冲击阻抗的混杂效应,通过引入芳纶纤维增强体制备了层间混杂(IE)、夹芯混杂(SA)、非对称混杂(US)和层内混杂(IA)的碳-芳纶二维编织复合材料,并通过落锤冲击实验研究了混杂结构对其冲击载荷、冲击吸收能量、损伤形貌等性能的影响.实验结果表明:层内混杂(IA)试样具有最高的峰值载荷(4.28 kN),比非混杂结构层板高37.2％;其他混杂结构试样中,峰值载荷均低于非混杂结构层板,层板IE的韧性指数DI值比层板SA的高31.5％,说明层间混杂结构表现出比夹芯混杂结构优良的冲击韧性;但IA的弹性应变能(5.964 J)最大,其他试样弹性应变能(几乎为0)远小于试样IA,表明试样IA在冲击过程中产生了较大的弹性变形,表现出优良的韧性性能.通过超声扫描成像系统观察并评价层板内部冲击损伤及失效机理可知:碳纤维层板产生了较严重的内部损伤,试样SA和试样US侧面产生了分层现象;试样IE的C扫描图像显示试样产生了程度较轻的内部损伤,但和试样IA相比,其蓝色区域分布范围较大;IA试样冲击内部损伤面积较小,说明碳纤维和芳纶纤维相互交织排列的层内混杂结构,表现出较强的塑性变形能力和良好的抗冲击性能.【期刊名称】《天津工业大学学报》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】6页(P1-6)【关键词】碳纤维;芳纶纤维;二维编织;复合材料;混杂结构;低速冲击【作者】孙颖;田书全;唐梦云;陈冬【作者单位】天津工业大学纺织学院,天津300387;天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津300387;天津工业大学纺织学院,天津300387;天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津300387;天津工业大学纺织学院,天津300387;天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津300387;天津工业大学纺织学院,天津300387;天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津300387【正文语种】中文【中图分类】TS102.43;TS102.527.5;TB332目前，聚合物基复合材料在飞机机身和发动机结构方面得到了广泛的应用，许多飞机引擎制造商已经开发出了新的商业喷气发动机，该发动机机匣将使用二维编织复合材料铺层制备.近年来，美国航空航天局开展了一系列相关的基础研究，将二维三轴编织复合材料应用于波音787飞机发动机机匣中，实现了良好的包容性和减重性能[1-2].由于飞机一级结构和机匣受到冲击损伤影响较大，而碳纤维强度高，模量大，芳纶纤维具有较高的断裂伸长率和能量吸收能力，两者混杂的材料被广泛用于抗冲击防护领域[3].二维编织复合材料力学性能引起了众多学者的青睐.Shu等[4]研究了二维编织碳/环氧复合材料横向和轴向的压缩、拉伸破坏形式，主要产生了基体裂纹、纤维与基体界面的损伤.Ivanov等[5]对二维编织复合材料拉伸损伤机理进行了研究，发现损伤主要有2个部分：①纱线内部裂纹密度和裂纹长度的增加；②局部纱线间的剥离和纱线内裂纹的结合.Bohm等[6]对二维编织碳/环氧复合材料在不同应变率下进行了拉伸实验，结果表明应变率对材料的强度和刚度产生了较大影响.马小菲等[7]通过玻璃/芳纶混杂纤维复合材料圆管的轴向静态压缩和三点弯曲试验验，分析了复合材料圆管的压缩及弯曲性能，探讨了编织角和纤维混杂比对复合材料圆管压缩及弯曲性能的影响，并对其破坏形式进行了分析.朱露露等[8]进行了铺层数不同和有无开孔试样二维编织复合材料的弯曲实验.此外，NASA支持了ALAFS计划并在2009—2013年对二维三轴编织复合材料进行了比较系统的力学性能测试（拉伸、压缩、弯曲、冲击等）和有限元模拟研究，获得了大量的实验数据，为其在航空航天等领域的研究奠定了基础.与碳纤维进行混杂最常见的纤维之一是芳纶纤维，由于碳纤维伸长率低，而以芳纶为例的Kevlar49纤维伸长率较高，为2.4%，其具有良好的耐冲击等性能，两者进行混杂而成的复合材料，利用碳纤维良好的力学性能和芳纶纤维抗冲击性能，可以最大程度地弥补单一纤维的缺点，以及降低生产成本[9].Chiu等[10]制备了6种碳-芳纶混杂二维编织复合材料管，对其准静态压溃性能进行研究，结论为不同的纤维种类和混杂方式，材料压溃模式不同，压溃能量吸收大小也不同.Gustin[11]对7种不同混杂结构的碳-Kevlar49纤维复合材料进行了低速冲击实验.Wan等[12]制备了含有不同Kevler49-T300混杂比的三维四向束内混杂编织复合材料，进行了弯曲、剪切和冲击实验.王文莎等[13]制备了碳-玻璃纤维混杂二维三轴编织层板，进行了低速冲击实验，结果表明编织纱玻纤、轴纱碳纤混编方式结构的复合材料有良好的抗冲击性能.本文设计了层间混杂（IE）、夹芯混杂（SA）、非对称混杂（US）和层内混杂（IA）4种结构的碳-芳纶混杂二维编织复合材料，非混杂碳纤维复合材料用作对比，进行落锤冲击实验，并通过超声波无损检测系统得到超声C扫描和B扫描图像，分析内部损伤形貌和破坏机理，评价混杂结构对材料抗冲击性能的影响.1 实验部分1.1 原材料增强纤维采用日本东丽T700碳纤维和蓝星中蓝晨光化工HF200芳纶纤维，环氧树脂体系为天津晶东TDE#86.纤维和树脂性能如表1所示.表1 纤维和树脂性能Tab.1 Physical and mechanical properties of fibers and resin牌号密度/（g·cm-3）断裂伸长率/%T700SC 1.80 800.00 4 900.0 230.00 2.10 HF200 1.44 666.67 2 017.0 074.00 3.12 TDE#861.26—0078.1003.124.00细度/tex拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa二维编织预制件在红旗牌二维编织机上织造，表2为碳纤维和芳纶纤维二维编织物结构参数.表2 单层织物结构参数Tab.2 Structure parameters of 2D braided fabric厚度/mm碳纤维 120 30 125 0.785 0.88芳纶纤维 120 30 125 0.661 0.95碳-芳纶纤维 120 30 125 0.717 0.92编织纱种类编织纱数量/锭编织角/（°）宽度/mm面密度/（kg·m-2）实验设计了4种混杂结构，如表3所示.设计层合板厚度为5 mm，铺层数为7层（■代表碳纤维层，□代表芳纶纤维层，□代表碳-芳纶混编层）.表3 碳-芳纶混杂二维编织复合材料层板混杂结构Tab.3 Hybrid structure of carbon-aramid/epoxy hybrid 2D braided composites混杂结构铺层结构示意图C[C7]■■■■■■■IE [C/A/C/A/C/A/C]■□■□■□■SA [C2A3C2]■■□□□■■US [C4/A3]■■■■□□□IA [C-A]7 □□□□□□□采用树脂传递模塑（resin transfer molding，RTM）工艺制备复合材料层板，具体参数如表4所示.表4 二维编织复合材料层板结构参数Tab.4 Structure parameters of 2D braided composites混杂结构厚度/mm密度/（g·cm-3）纤维体积分数/%C 5.08 1.63 60.62 IE 5.02 1.50 62.31 SA 5.00 1.55 62.31 US 5.04 1.52 62.67 IA 5.01 1.54 62.421.2 测试标准与方法试验参照标准为《树脂基复合材料落锤冲击损伤容限试验方法》（ASTMD7136/D7137-07）[14]，试验仪器和设备如图1所示.图1（a）所示的Instron Dynatup 9250HV型落锤冲击实验机，冲击锤头为半球形，直径12.7 mm，质量6.5 kg，将试样切割为150 mm×100 mm大小，冲击能量设定为33.5 J，每组测试3次.冲击试验完成后，采用图1（b）所示的SN-C3409型水浸超声扫描检测系统观察分析层板冲击内部损伤，得到超声C扫描和B扫描图像.图1 落锤冲击实验机及水浸超声扫描检查测系统Fig.1 Drop-weight impact test setup and water immersion ultrasonic scanning testing system2 实验结果与讨论2.1 冲击载荷-时间曲线图2所示为5种典型试样冲击载荷-时间曲线.由图2可见，冲头施加载荷初期，试样载荷-时间曲线均出现了载荷突然下降，然后继续上升的趋势.原因是当锤头下降触碰到试样时，两者相互接触区域产生了应力集中，试样受到锤头压缩作用产生了变形，载荷产生了小幅度降低.随着锤头和试样接触面积继续增加，应力在层板内部重新分配，曲线出现了小幅度波动并继续爬升，不同混杂结构试样曲线产生不同的上升趋势.图2 5种层板典型试样的冲击载荷-时间曲线Fig.2 Impact load-time curves for five kinds of specimens由图2还可以观察到，试样C的曲线在试验初期产生了较多波动且幅度较大，这是由于碳纤维断裂伸长率较低，部分纤维在冲击载荷作用下瞬间产生断裂及剥离损伤，同时试样表面产生轻微裂纹，导致载荷小幅度降低.Dehkordi等[15]的研究也得到过类似的结论.混杂结构试样由于断裂伸长率较高的芳纶纤维的引入，试样冲击损伤扩展比试样C程度缓慢，曲线上升趋势相对平稳，没有出现剧烈波动.试样IA到达峰值前，曲线出现了上下波动，这可能是由于碳和芳纶纤维相互交织排列，冲击使得其树脂界面不稳定因素增加，载荷分布不均匀.载荷上升到峰值时，锤头下降位移最大后又开始远离试样，曲线迅速下降，说明试样内部结构产生了较严重的损伤，如基体裂纹、纤维断裂以及内部产生分层等损伤.试样US载荷-时间曲线上升至峰值载荷后，曲线严重下落，产生较大幅度的波动，这是由于层板结构受到严重破坏，剩余载荷再次分配，使得曲线波动剧烈.试样IE、SA和IA曲线下降部分较平缓，没有出现大幅度波动，初步说明这3种混杂结构试样的抗冲击性能优于其他结构试样.峰值载荷表示材料在遭受破坏前可以承受的最大力，可以很好地评价材料的承载能力.有文献指出材料的初始刚度对峰值载荷影响较大[16].4种层板峰值载荷如图3所示.由图3可以看到，试样IA有最大的峰值载荷，为4.28 kN，其层板面内刚度较高，这是由于碳纤维拉伸模量大，芳纶纤维断裂伸长率较高，其相互交织排列在冲击试样表面，共同发挥出各自的性能优势，承受较高的冲击载荷.其他3种混杂结构试样和C相比，由于高断裂伸长率芳纶纤维层的引入，峰值载荷小幅度下降.由此可知，层内混杂结构承受冲击能力最强，有最好的冲击损伤阻抗.图3 冲击峰值载荷对比图Fig.3 Maximum impact forces2.2 冲击能量-时间曲线5种典型试样的吸收能量-时间曲线如图4所示.图4 5种典型试样的吸收能量-时间曲线Fig.4 Impact energy-time curves for five kinds of specimens图4中，曲线包括3个阶段[17-18].阶段Ⅰ：该阶段曲线缓慢上升，吸收能量较少，这是由于锤头下降触碰到试样时，试样厚度方向受到载荷作用产生变形吸收较少的能量；阶段Ⅱ：曲线迅速爬升，后又缓慢上升到最大值，因为锤头下降速度较快，能量曲线随着接触面积的增加而迅速上升；当锤头下降至最低位置时，锤头和试样开始分离，部分弹性能量被释放，曲线缓慢增加且出现下降趋势；阶段Ⅲ：曲线基本平行于时间轴，此时锤头与试样无接触区域.试样IA在阶段Ⅱ表现出和其他试样不同的曲线形状，可能是由于层内混杂结构的特殊性，使得吸能方式和其他混杂结构产生了不同的形式.损伤传播能量EP与峰值载荷能量Em的比值称为韧性指数DI值[19]，用来评价材料的韧性性能.表5为5种试样DI值.其中：Et表示总吸收能量；Em为峰值载荷处的能量.由表5可见，试样C的DI值最小，这是由于冲击锤头作用在断裂伸长率低的碳纤维上时，纤维断裂吸收较少的能量.3种混杂试样（IE、SA和US）中，由于试样层间加入断裂伸长率高的芳纶织物层，受到冲击时纤维产生了拉伸弯曲变形，吸收较多的能量，故DI值均高于试样.层板US的DI值最大，但由于其具有最小的峰值载荷及Em，故抗冲击性能较差；层板IE的峰值载荷和DI值分别比层板SA高1.95%和31.5%.IA试样DI值为负值，说明其一部分未被吸收的能量，转化成了弹性应变能量，能量-时间曲线之间的差异很好的体现出来.表5 5种试样冲击实验DI值Tab.5 Summary of average ductility index for five kinds of specimens混杂结构 Et/J Em/J Ep/J DI C 23.65 13.95 -09.70 -0.70 IE 22.87 11.68 -11.19 -0.96 SA 23.46 13.58 -09.88 -0.73 US 20.71 08.15 -12.56 -1.54 IA 25.93 31.45 0-5.52 -0.21冲头对材料做功过程中，一部分功转化为被材料所消耗的能量，表现形式为材料产生弯曲变形、基体剥离、纤维断裂抽拔等，材料产生了不可恢复破坏；另一部分为未被吸收的能量，转化成了弹性应变能量.试样IA弹性应变能最大（5.964 J），其他试样弹性应变能远小于试样IA（几乎为0），表明试样IA在冲击过程中产生了较大的弹性变形，表现出优良的韧性性能.2.3 冲击后损伤形貌5种典型试样冲击后的损伤形貌如图5所示.图5中，左图为冲击正面，右图为背面.由图5可见，试样正面冲击损伤破坏均比背面较严重，大部分试样正面可以清晰看到锤头作用产生的圆形压痕，在圆痕边缘有少量基体裂纹，无纤维剪切损伤产生；纤维产生了垂直于裂纹位置的断裂，原因是冲击应力波沿编织纱方向进行传播，和其交织的纱线会阻挡其传播，应力集中导致纤维断裂.试样C背面出现了严重的纤维断裂和抽拔破坏，混杂层板背面破坏损伤肉眼几乎观察不到，但出现了微弱的凸起，这是由于芳纶纤维的加入，混杂层板在受到冲击时产生了塑性变形.层内混杂试样IA中，正面只出现少量裂纹损伤，说明碳纤维和芳纶纤维相互交织排列，两者良好的协同作用有效抵抗了落锤冲击，提高了层板的抗冲击性能.2.4 冲击损伤超声成像评估5种典型试样的C扫描输出图像如图6所示.图6中：X轴表示扫描探头沿试样轴向扫描的距离；Y轴表示扫描探头沿试样横向扫描的距离.扫描开始前，将试样冲击背面朝上放置进行固定，使其在探头正下方合适的位置.图5 5种典型试样冲击后损失形貌Fig.5 Impact damage morphology photos for five kinds of specimens由图6可以观察到，5种C扫描图像表现出明显的差异，可知冲击内部损伤模式对混杂结构较敏感.层板C虽然无明显的表面损伤（图5），但C扫描图像显示试样内部损伤较严重，尤其位于冲击点附近区域显示圆形深蓝色，且无明显界限，表明其内部损伤扩展面积较大.图6 5种典型试样超声C扫描图像Fig.6 C-scan results after impact of five kinds of specimens对于层板SA，其C扫描图像中含有大量的亮黄色和红点，虽然其蓝色区范围较小，由于其冲击后试样侧面产生了分层损伤，故结构受到破坏.C扫描图像中，试样US内部损伤面积最大.说明夹芯混杂和非对称混杂结构对层合板的冲击性能没有产生正混杂效应.由试样IE的C扫描图像可知，冲击点处显示淡蓝色，表明此区域产生了程度较轻的内部损伤，但和试样IA相比，其蓝色区域分布范围较大，表明冲击应力在试样内部发生了扩展，损伤面积增加；试样IA的C扫描图像中，损伤边缘线较清晰且损伤区域主要分布在冲击中心附近，蓝色区域范围较小，说明碳纤维和芳纶纤维相互交织排列，表现出良好的抗冲击性能.3 结论（1）相同冲击能量下，试样IA有最大的峰值载荷（4.28 kN）.3种混杂结构试样（IE、SA 和 US）中，由于高断裂伸长率芳纶纤维的引入，峰值载荷发生小幅度下降，承载能力降低.由此可知，层内混杂结构承受冲击能力最强，有最好的冲击损伤阻抗.（2）碳纤维层板的DI值低于混杂层板的DI值，说明层板C冲击韧性较差.虽然层板US的DI值最大，但其峰值载荷最小，且冲击损伤较严重，所以其抗冲击性能也较差.层板IE的DI值比层板SA高31.5%，说明层间混杂结构表现出比夹芯混杂结构优良的冲击韧性.IA试样DI值为负值，弹性应变能最大（5.964 J），其他试样弹性应变能（几乎为0）远小于试样IA，表明试样IA在冲击过程中产生了较大的弹性变形，表现出优良的韧性性能.（3）由C扫描图像可知，试样IA损伤区域面积较小，冲击损伤区域分布集中，无明显扩散，表明层内混杂结构抗冲击性能较好.【相关文献】[1]LITTEL L，JUSTIN D.Experimental and analytical characterization of the macromechanical response for triaxial braided composite materials[R].Houston：NASA/CR，2013.[2]CAGRI A，JASON C.2D braided composites：A review for stiffness critical applications[J].Composite Structures，2008，85（1）：43-58.[3]REIS P N B，FERREIRA J A M，SANTOS P，et al.Impact response of Kevlar composites with filled epoxy matrix[J].Composite Structures，2012，94（12）：3520-3528.[4]SHU C Q，WASS A M，SHAHWAN K W，et pressive response and failure of braided textile composites：Part1-experiments[J].International Journal of Non-Linear Mechanics，2004，39（4）：635-648.[5]IVANOV D，BANDURY F，BROUCKE B，et al.Failure analysis of triaxial braided composite[J].Composites Science and Technology，2009，69（9）：1372-1380.[6]BOHM R，HORNING A，LUFT J，et al.Experimental investigation of the strain rate dependent behaviour of 2D biaxially and triaxially reinforced braidedcomposites[J].Applied Composite Materials，2014，21（2）：285-299.[7]马小菲，张国利，朱有欣，等.2D编织混杂复合材料圆管压缩和弯曲性能研究[J].天津工业大学学报，2014，33（3）：17-23.MA X F，ZHANG G L，ZHU Y X，et al.Study on compression and bending properties of 2D braided hybrid composite tubes[J].Journal of Tianjin Polytechnic University，2014，33（3）：17-23（in Chinese）.[8]朱露露.二维三轴编织铺层复合材料开孔前后的弯曲和剪切性能研究[D].上海：东华大学，2015.ZHU L L.Bending properties of 2-D triaxial braded laminated composites with and without open-holes [D].Shanghai：Donghua University，2015（in Chinese）.[9]严文聪，曾金芳，王斌.纤维混杂复合材料研究进展[J].化工新型材料，2011，39（6）：30-33.YAN W C，CENG J F，WANG B.Research progress in fiber hybrid composites[J].New Chemical Materials，2011，39（6）：30-33（in Chinese）.[10]CHIU C H，TSAI K H.Crush-failure modes of 2D triaxially braided hybrid composite tubes[J].Composites Science and Technology，1999，59（11）：1713-1723.[11]GUSTIN J M.Low velocity impact of combination Kevlar/carbon fiber sandwich composites[J].Composite Structures，2005，69（4）：396-406.[12]WAN Y Z，CHEN G C，HUANG Y.Characterization of three dimensional braided carbon/kevlar hybrid composites for orthopedic usage[J].Materials Science and Engineering，2005，398（1）：227-232.[13]王文莎，阎建华，顾海麟.混杂编织层合复合材料低速冲击性能研究[J].玻璃钢/复合材料，2015（5）：47-53.WANG W S，YAN J H，GU H L.Study on low velocity impact performance of hybrid braided laminated composites[J].Fiber Reinforced Plastic/Composites，2015（5）：47-53（in Chinese）.[14]ASTM International.ASTM D7136/D7137-07 Standard test method for measuring thedamage resistance of a fiber-reinforced polymer matrix composite to a drop-weight impact event[S].West Conshohocken：ASTM International，2012.[15]DEHKORDI M T，NOSRATY H，SHOKRIEH M，et al.Low velocity impact properties of intra-ply hybrid composites based on basalt and nylon woven fabrics[J].Materials and Design，2010，31（8）：3835-3844.[16]EVCI C，GULGEC M.An experimental investigation on the impact response of composite materials[J].International Journal of Impact Engineering，2012，43：40-51.[17]BELINGARD G，VADORI R.Low velocity impact tests of laminate glass-fiber-epoxy matrix composite material plates[J].International Journal of Impact Engineering，2002，27：213-229.[18]SCHOEPPNER G A，ABRATE S.Delamination threshold loads for low velocity impact on composite laminates[J].Composite Part A，2003，31：903-915.[19]SARASINI F，TIRILLO J，VALENTEM，et al.Hybrid composites based on aramid and basalt woven fabrics：Impact damage modes and residual flexural properties[J].Materials and Design，2013，49：290-302.。

用层合板模拟二维编织复合材料的方法

用层合板模拟二维编织复合材料的方法
二维编织复合材料是一种常见的复合材料，其具有高强度、高刚度、低密度等优点，被广泛应用于航空、航天、汽车、体育器材等领域。

为了更好地研究和应用二维编织复合材料，需要进行模拟和分析。

本文将介绍一种用层合板模拟二维编织复合材料的方法。

层合板是由多层薄板材料按照一定的堆叠顺序和角度粘合而成的复合材料。

其具有高强度、高刚度、耐磨损、耐腐蚀等优点，被广泛应用于建筑、交通、航空、航天等领域。

在模拟二维编织复合材料时，可以将层合板作为模拟对象，通过调整层板的堆叠顺序和角度，来模拟不同的编织结构和力学性能。

具体来说，可以将层合板分为两类：单向层合板和交叉层合板。

单向层合板是指所有层板的纤维方向都相同，可以模拟二维编织复合材料中的单向纤维增强材料。

交叉层合板是指不同层板的纤维方向相互垂直，可以模拟二维编织复合材料中的双向编织材料。

在模拟过程中，需要确定层板的材料性质、厚度、堆叠顺序和角度等参数。

可以通过实验或者数值模拟的方法来确定这些参数，以保证模拟结果的准确性和可靠性。

同时，还需要考虑层板之间的粘合强度和界面效应等因素，以更好地模拟二维编织复合材料的力学性能。

用层合板模拟二维编织复合材料是一种简单、有效的方法，可以帮
助研究人员更好地理解和应用二维编织复合材料。

未来，随着材料科学和计算机技术的不断发展，这种方法将会得到更广泛的应用和发展。

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第25卷第4期2005年8月航空材料学报J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LSV o.l 25,N o .4 A ugust 2005二维编织层压板湿热环境下冲击后压缩性能的实验研究潘文革1,矫桂琼1,熊伟1,管欣1,杨杰2,赵谋周2(1.西北工业大学工程力学系,西安710072;2.中国航空研究院603所,西安710089)摘要:实验研究了二维编织环氧树脂基玻璃纤维复合材料层压板在室温和湿热条件下的冲击后压缩性能。

结果表明,该体系复合材料平衡吸湿量平均达到212%。

吸湿过程中材料性能发生退化,退化程度与试件厚度有关。

材料达到平衡吸湿后,室温环境下的冲击能量平均下降1912%。

摄氏70e ,相对湿度85%环境下,冲击后压缩破坏应力平均下降5413%。

关键词:复合材料;二维编织;湿热;冲击后压缩中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2005)04-0040-05收稿日期:2004-10-19;修订日期:2005-03-08基金项目:航空基金(04B53013)作者简介:潘文革(1966-),博士研究生,主要从事先进复合材料力学研究,(E -m a il)panw enge @ 。

编织型复合材料是国外80年代后期发展起来的一种新型结构设计的复合材料,编织复合材料除了具有传统层合板复合材料的优点外,消除了层合板复合材料因层的薄弱所带来的诸多弱点。

另外,它具有更优良的可设计性,可自动化高效生产,高质量、低成本和高可靠性。

由于编织型复合材料具有优良的综合性能,在航空航天工业中得到广泛应用。

但是,纤维增强树脂基复合材料耐湿热性能和抗冲击性能的不足限制了在承力结构件中的应用。

因此,国内外学者已对纤维增强树脂基复合材料的湿热性能、冲击后压缩(C A I)性能进行了大量的研究[1~4],但对于吸湿后复合材料的湿热C A I 性能关注相对较少。

张骏华[1]研究了三种树脂基增强碳纤维层合板的湿热性能,研究表明,单纯吸湿对C /E 复合材料层合板力学性能影响不大;湿热联合作用时C /E 复合材料层合板力学性能下降明显。

包建文[2]研究了T300/5284层合板的湿热性能,结果表明,T300/5284饱和吸湿率约为0136%,其130e 干态压缩强度保有率为8414%,饱和吸湿后压缩强度保有率为7514%。

郑海燕[3]研究了T300/913C 二维编织层合板室温、干态的C A I 强度,认为损伤面积与冲击能量呈现幂指数关系,剩余压缩强度与冲击能量近似线性关系。

D 1Scida [4]对比了两种不同基体二维编织层合板的吸湿老化后的力学性能,结果表明,基体饱和吸湿量过大不利于保护纤维,材料强度下降较为明显。

玻璃纤维/R1二维编织层合板经过1300h ,70e 吸湿,吸湿量约为118%,拉伸强度、弯曲强度平均下降53%。

1 试验1.1 试样材料和尺寸1.1.1 试样材料由玻璃纤维二维织物和环氧树脂胶膜为基本材料压制成的复合材料层压板,试验件的铺层、厚度和数量如表1所示。

表1 试验件的铺层与厚度T ab le 1 D eta ils for speci m enItem s P ly or i entation ang le and stack i ng sequence Th i ckness /mm Q uan tityA [-45/90/45/0-]s 1.755B [-45/90/45/90/0-]s 2.255C [-45/90/45/90/45/0-]s 2.755D [-45/90/45/90/45/90/0-]s 3.255E[-45/90/45/90/45/90/45/90/0-]s4.2551.1.2 试样尺寸试样为长300mm,宽175mm 矩形条状,引入冲击损伤后,裁成长150mm,宽100mm 的矩形条状第4期二维编织层压板湿热环境下冲击后压缩性能的实验研究CA I 试样。

1.2 试验环境条件(1)室温环境(按国标GB1446)83)试验温度:(23?2)e ;相对湿度:(50?5)%。

(2)湿热环境试验温度:70e ;相对湿度:85%。

1.3 试验过程室温CA I 试验:室温环境下制备冲击损伤,然后在室温环境下进行CA I 试验。

吸湿后湿热CA I 试验:试件吸湿量达到212%后室温环境下制备冲击损伤,然后在湿热环境下进行CA I 试验。

1.3.1 试件的吸湿试样按航标H B7401《树脂基复合材料层压板湿热环境吸湿试验方法》进行吸湿,吸湿量采用跟随件进行测量。

试件跟随件由宽25mm,长80mm 的A,B ,C ,D 和E 铺层条状试样各一件组成。

图1是试件跟随件的平均吸湿曲线,通过22天65e 恒温水箱的浸泡,试件接近平衡吸湿水平,这时试件的平均吸湿量约为212%左右。

图1 试件跟随件的吸湿曲线F i g.1 W a ter absorpti on rate versus age i ng ti m e fo r composites1.3.2 冲击试验采用航标HB6739)1993的夹具和冲击装置,在室温条件下,对吸湿试件和未吸湿试样进行冲击试验,冲击损伤位于试件的中央,冲击装置如图2所示。

由于目视勉强可见冲击损伤是一个主观评价标准,不利于客观对比损伤大小,采用冲击凹坑深度表征损伤大小也是一种可行的方法[5]。

本工作定义试件表面冲击凹坑深度为0118~0122mm 的冲击损伤为目视勉强可见冲击损伤。

为获得目视勉强可见的冲击损伤,对于不同铺层试件的冲击能量不同,干态试件冲击能量采用4J/mm;湿态试样吸湿后性能下降,需要降低冲击能量才能获得与干态试样相当的冲击损伤。

具体的冲击能量值示于表2。

表2 冲击损伤引入的能量/JT ab l e 2 Ene rgy on composites for a drop -w e i ght i m pac t/J Ite m s U nag ed speci m en at room te m pera t ure A ged spec i m en at hyg ro t her m a lR a te of dec line /%A 7529.6B 9722.2C 11919.2D 131115.4E171511.8A verage19.2图2 冲击装置照片F i g.2 T he i m pact testing apparatus1.3.3 冲击后压缩试验CA I 试验参照了航标HB6739)1993《碳纤维复合材料冲击后压缩试验方法》,采用美国先进复合材料供应商协会推荐试验标准SAC MA SRM 2)88[6]。

CA I 试验装置如图3所示。

对于较薄的试件,压缩时会发生整体屈曲,为此采用了夹板,即在试件的两侧加两块防止试件整体屈曲的钢板,钢板中央留有50mm @50mm 的窗口,对冲击损伤区域不予约束。

带夹板的CA I 夹具如图4。

试件靠近顶端粘贴两个应变片,监测试件对中,测量试件破坏应变。

图3 CA I 试验装置F i g .3 CA I testi ng apparatus41航空材料学报第25卷图4带防屈曲夹板的C A I夹具F ig.4CA I testi ng appara t us w ith prev enti on of buckli ng 2结果和分析2.1冲击损伤图5a,b和图6a,b分别给出了E类铺层未吸湿和吸湿试件的冲击后前后表面损伤情况(其他铺层略)。

从图中可以看出,试样冲击表面有一个较浅的冲击凹坑,凹坑深度约为0122mm,凹坑四周有白色的基体裂纹,未观察到纤维断裂。

试件的背面有明显沿?45b方向的白色基体裂纹并伴有一定的纤维断裂。

两种状态试样的冲击损伤是相当的。

图5未吸湿试样冲击后的表面损伤(a)试件的前表面损伤;(b)试件的后表面损伤F i g.5I m pact dam age observed on fron t face and rear face fo r unaged composites(a)i m pact dam age on front f ace;(b)i m pact da m age on rear face图6吸湿试样冲击后的表面损伤(a)试件的前表面损伤;(b)试件的后表面损伤F i g.6I mpact da m ag e obse rved on front face and rear f ace for aged co m pos i tes(a)i m pact da m age on front face;(b)rear face da m age2.2冲击后压缩强度表3给出了按表2引入冲击能量后,未吸湿室温条件下和吸湿后湿热条件下复合材料层压板的CA I破坏应力。

从表中可以看出,各铺层试件C A I 破坏应力重复性较好。

图7给出了不同铺层试件在室温环境下(试样未吸湿)和湿热环境下(试样吸湿后)的CA I强度的对比。

从图中可以看出,在室温条件下,不同铺层未吸湿试件的CA I破坏应力基本相等,试件吸湿后,湿热条件下的C A I破坏应力随试件厚度增加逐渐升高。

图8对比了不同铺层吸湿试件的冲击能量、CA I破坏应力下降率。

从图中可以看出,不同铺层吸湿试件的冲击能量、湿热CA I破坏应力下降率都随试件厚度增加而减少,其原因主要是不同铺层试件厚度不同,其吸湿老化的程度不同(试件吸湿过程历经22天,应当考虑树脂湿热老化的影响),厚度薄的试样吸湿老化较严重,材料性能退化较多,所42第4期二维编织层压板湿热环境下冲击后压缩性能的实验研究表3复合材料层压板的CA I破坏应力T able3Fa ilure compressive stress for post-i m pact compositesU naged composites/M P aA B C D EA ged com posites/M PaA B C D EA verage fa ilureco m pressi ve stress239.84231.02225.56229.73237.7892.9092.04104.09109.96144.85D ev iati on21.669.8813.6724.279.574.454.585.156.849.30C.V/%9.034.296.0610.564.024.794.984.956.226.42图7未吸湿(a)和吸湿(b)试样的CA I破坏应力的对比F i g.7Co m pa rison o f fa il ure stress unag ed co m pos ites(a)and aged composites(b)图8不同铺层吸湿试件冲击能量、CA I破坏应力下降率对比F i g.8R a te of decli ne on ene rgy and fa ilure stressver sus for thickness for aged co m po sites以冲击能量、CA I破坏应力下降较大。