纤维增强复合材料层合结构冲击损伤

复合材料定义：

复合材料通常由基体材料和增强材料两大组分构成，它不仅保持了组分材料自身的优良性能，而且通过材料互补改善或突出某些特殊性能。改变组分材料品种或比例，可以得到不同品种和性能的复合材料。

复合材料分类：

复合材料可分为金属基复合材料与非金属基复合材料，非金属基复合材料可分为树脂基复合材料与陶瓷基复合材料，树脂基复合材料具有质量轻、易于加工和改型等优点。

复合材料特点：

1.具有较高的比强度和比刚度

2.具有良好的抗疲劳性能

3.具有良好的减振性能

4.具有良好的可设计性

复合材料中的主要缺陷：

先进复合材料中的缺陷类型一般包括: 孔隙、夹杂、裂纹、疏松、纤维分层与断裂、纤维与基体界面开裂、纤维卷曲、富胶或贫胶、纤维体积百分比超差、纤维基体界面结合不好、铺层或纤维方向误差、缺层、铺层搭接过多、厚度偏离、磨损、划伤等。其中孔隙、分层与夹杂是最主要的缺陷。材料中的缺陷可能只是一种类型, 也可能是好几种类型的缺陷同时存在。

缺陷对复合材料性能的影响：

复合材料在成型、固化、使用过程中产生各种缺陷，不同的缺陷对复合材料性能都有着或多或少的影响。孔隙是复合材料中常见的缺陷之一，过多的孔隙可降低复合材料层间剪切强度约30 %。当受冲击及长期疲劳时,富脂及贫脂区首先开裂，这也标志着这些区域的力学性能不同程度降低。纤维束的断裂也可使碳纤维复合材料拉伸强度下降约25 %，压缩强度损失约11 %。加工过程中直径10mm 纸屑的进入零度层(0°/ ±45°)碳纤维蜂窝结构导致压缩强度降低约25 %。热塑性复合材料碳纤维/ PEEK纤维弯曲导致压缩强度降低约20 %。

总之,复合材料中的各种缺陷对性能有着不同的影响,总体而言倾向于性能降低。下面重点介绍孔隙、杂质对性能的影响。

复合材料在冲击载荷下的损伤形式：

其损伤破坏模式表现为基体开裂、纤维断裂、纤维与基体界面脱胶开裂和脱层。纤维增强树脂基复合材料结构在冲击作用下将产生下列三类主要损伤：基体开裂、层间脱层开裂、纤维断裂。其中基体开裂和纤维断裂等损伤产生在复合材料单层板内；而脱层开裂损伤将产生在纤维铺设方向不同的各子层之间。

（1）冲击作用下复合材料的层间脱层损伤

层间损伤即脱层是纤维增强树脂基复合材料层合结构中出现的主要失效形式之一。对于层合结构而言，由于纤维铺层的限制，脱层通常保持在同一平面内延伸和扩展。由层状复合材料纤维铺层之间的强度相对于纤维和基体的强度较弱，因此裂纹容易在层间产生并扩展。由于冲击或制造缺陷而产生的脱层损伤将显著地降低结构的承载能力。

在球形冲头冲击作用下，层合板层间产生的脱层损伤沿子层板呈花生果状，而且脱层扩展方向均沿两层中离冲击面较远的子层板的纤维方向。当相邻两层纤维铺设方向相同时，将不出现分层。层间分层沿层合板厚度呈喇叭状，冲击表面脱层裂纹面积小，而背面大。

脱层开裂是层间界面上发生的平面裂纹，有内部脱层（往往起始于层内裂纹的交界处）和边缘脱层（起始于板的自由边）两种情形。内部脱层是由局部应力升高引起的，它开始往往是分离状的，分布在层间平面；边缘、缺口和其他几何不连续处易于因较高的正应力和（或）剪切应力而发生边缘脱层。一般来说，脱层损伤对铺层复合材料结构的面内拉伸强度和层间压缩强度影响不大，但对于面内压缩和剪切强度以及层间拉伸和剪切强度的影响很大。

（2）冲击作用写复合材料的层内损伤

复合材料层合板在承受低速冲击载荷时，首先出现基体开裂损伤。基体裂纹是层合板受冲击后的初始损伤形式。根据产生裂纹的应力分量的不同，可以分为剪切基体裂纹和弯曲基体裂纹（如下图所示）。弯曲基体裂纹是由垂直于纤维的面内正应力和层间正应力引起的。在复合材料层合板受冲击载荷时，冲击点的背面铺层会产生最大的拉伸应力和法向正应力，基体受到强烈的弯曲作用达到临界值而发生破坏。剪切基体裂纹发生在铺层角发生变化的相邻铺层间，由于面内刚度的不连续，通常会产生横向剪应力，这种铺层角的变化越剧烈，同等载荷下产生的层间剪应力也越大。由于复合材料基体的强度较低，垂直于纤维方向的横向剪应力将会引起纤维间基体的开裂。冲击产生的脱层是由相邻层的临界基体裂纹引起的，在临界基体裂纹产生以后，外表面法向应力和层间剪切应力对脱层扩展有重要的影响。

纤维断裂破坏模式通常比基体裂纹与脱层开裂出现的晚，而且出现在冲击能量较高的情况。在冲击物下面纤维断裂的产生主要是因为冲击压痕附近高的局部应力场分布；在远离冲击物面产生的纤维断裂主要是因为高的弯曲应力。纤维断裂将造成整个结构的失效。

复合材料层合结构损伤分析力学模型

（1）几何模型

复合材料层合结构通常是根据设计要求由许多不同纤维方向的单层板铺设而成的，脱层损伤将发生在两层不同纤维铺设方向的单层之间。一旦发生脱层后，在存在脱层的区域，整体的铺层结构将在厚度方向成为多个子层结构。因此，很自然地可以将复合材料层合结构看作是由许多子结构装配而成。为了满足在未脱层区域上下子层结构的位移连续性，在该相邻两子层之间加入一厚度很薄的界面层。脱层损伤将被限制在该界面层产生和扩展；对于基体开裂、纤维断裂等损伤将被限制在子层结构内产生和扩展，如下图所示：

复合材料铺层结构的构成

对于单向纤维增强的复合材料层合板来说，在低速冲击作用下其主要的损伤模式有：层内损伤（基体开裂、纤维脆性断裂、纤维基体界面剥离）和层间脱层损伤。针对复合材料的这种损伤特点，以下提出了一个层合结构的力学模型来分

析在冲击作用下纤维增强树脂基复合材料层合板结构内部的损伤和变形机理，该模型将铺层板按如图所示的两种结构成分构成：

复合材料层合结构力学模型

（1）宏观材料特性为正交各向异性的单层板结构。在有限元模型中采用普通板壳单元来建立。在单层板材料本构模型中将考虑各种层内损伤（基体开裂、纤维脆性断裂、纤维基体界面剥离）。

（2）将铺设角度不同的两相邻子层粘接起来的界面层结构。在有限元模型中采用界面单元来建立，其界面模型采用第三章建立的基于粘接区理论的脱层模型。

预测复合材料铺层结构中损伤的产生与扩展分析中，更倾向于使用层合理论，而不采用三维弹性力学理论。在进行复合材料结构在低速冲击作用下的有限元分析时，更好的方法是采用基于板壳理论的层合板理论，因为在进行有限元分析时，使用三维体单元（如六面体单元）来进行复合材料层板结构的仿真分析将会使计算量非常大，尤其是进行预测结构中存在多处脱层问题的分析中。

复合材料层合结构脱层损伤预测：

纤维增强树脂基复合材料层合结构层间脱层损伤过程包括脱层产生和扩展两个阶段。预测模型是来分析复合材料层间脱层产生与扩展的力学模型。目前由于所采用的理论与假设不同，用于预测脱层产生、扩展的模型主要有以下四类：（1）基于强度理论的预测模型

根据材料内部某点处的应力水平或一定区域的平均应力水平来判定预测脱层损伤的产生。

（2）基于断裂力学理论的预测模型

一些学者在根据应力失效准则预测复合材料层间脱层损伤产生的基础上，采用断裂力学的方法来分析裂纹的扩展，其中多数文献是基于评价裂纹尖端处的临