复合材料层合板低速冲击损伤影响因素分析
复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用
复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用摘要：本文主要研究了复合材料在低速冲击下的损伤机制，并通过等效模型的应用，提出了针对复合材料低速冲击损伤的评估方法。
本文首先介绍了复合材料的基本概念、特点及应用领域，然后重点分析了复合材料在低速冲击下的损伤机理，接着阐述了等效模型的理论基础及其在复合材料损伤评估中的应用，最后总结了该研究的成果及未来发展方向。
一、复合材料的基本概念、特点及应用领域复合材料是一种由两种或两种以上的材料通过物理或化学方法结合而成的材料。
相比于传统材料，复合材料具有优异的力学性能、化学稳定性、电磁性能等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子电器、建筑等领域。
二、复合材料低速冲击损伤的机理分析复合材料在低速冲击下的损伤机理较为复杂，主要受到冲击能量、冲击角度、材料组成等因素的影响。
根据大量的实验研究表明，复合材料在低速冲击下的损伤主要表现为层间撕裂、分层、纤维断裂等形态。
这些损伤形态的产生主要是由于冲击能量在材料内部传递时，产生了较大的内应力，导致材料的结构发生破坏。
三、等效模型的理论基础及其在复合材料损伤评估中的应用等效模型是一种基于物理量的数学模型，用于描述复合材料的力学性能。
等效模型的理论基础包括应力张量、应变张量、能量方程等。
在复合材料中，等效模型的应用可以有效地评估材料的损伤程度，为材料的修复和使用提供依据。
四、结论与展望本文研究了复合材料在低速冲击下的损伤机制，并通过等效模型的应用，提出了针对复合材料低速冲击损伤的评估方法。
实验结果表明，该方法能够有效地评估复合材料的损伤程度，为材料的修复和使用提供依据。
然而，复合材料低速冲击损伤的研究仍存在一定的局限性，如实验条件的限制、模型参数的确定等。
未来可以通过优化实验条件、改进模型参数等方法，进一步提高该研究的准确性和可靠性。
此外，随着复合材料在各个领域的应用越来越广泛，对于复合材料损伤评估的需求也越来越大。
复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素
复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素复合材料层合板是一种新型材料，它由多层材料组成，具有较高的强度和刚度，被广泛应用于航空、航天、汽车等领域。
然而，在实际使用过程中，层合板可能出现低速冲击损伤，降低了其力学性能和安全性能。
因此，研究层合板低速冲击损伤特性及其影响因素具有重要的意义。
层合板低速冲击损伤特性包括损伤程度、损伤面积、损伤形状等方面。
其中，损伤程度是指层合板受到冲击后的损伤程度，主要表现为层板表面的凹陷、破裂、裂纹等；损伤面积是指受损的面积大小，直接影响到层合板的力学性能；损伤形状则是指受损面的形状，通常为圆形、椭圆形或者不规则形状。
影响层合板低速冲击损伤特性的因素主要包括以下几个方面：1. 板材材料性质：层合板由多层材料组成，不同的材料性质对其低速冲击损伤特性具有不同的影响。
比如说，弹性模量高的材料在冲击后容易出现裂纹，而韧性好的材料则容易产生凹陷。
2. 冲击能量：冲击能量是指冲击力对层合板的作用力大小，对层合板的损伤程度、面积和形状都有直接的影响。
当冲击能量越大时，层合板损伤程度越严重，损伤面积越大，损伤形状也越不规则。
3. 冲击角度：冲击角度是指冲击力施加的角度大小，对层合板的损伤特性也有影响。
一般来说，冲击力垂直于层合板的表面时，损伤程度和面积都会比较大，而当冲击力与层合板表面成一定角度时，损伤程度和面积都会减小。
4. 堆积方式：层合板材料的堆积方式也会影响其低速冲击损伤特性。
不同的堆积方式会导致不同的力学性质，从而影响冲击损伤情况。
比如说，将纤维方向相反的两层材料堆积在一起时，可提高层合板的冲击强度。
5. 界面黏结强度：层合板的各层材料之间的界面黏结强度也会影响其低速冲击损伤特性。
如果黏结强度不够强，不同材料之间的相对滑动就容易产生，从而导致受损层面的剥离和剪切。
总之，复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素有很多，研究这些因素可以帮助我们了解层合板的力学性质和使用安全性，为以后材料设计和制造提供参考。
复合材料层合板低速冲击损伤影响因素分析
复合材料层合板低速冲击损伤影响因素分析屈天骄;郑锡涛;范献银;郑晓霞【摘要】Damage of composite laminates due to low-velocity impact depends on number of factors. The simulation of composite laminates damage is carried out with ABAQUS software. Several influence factors are analyzed in order to foresee the damage resistance of composite laminates in the early stage with the method which regards damage area as the single-variable parameter. Delamination is one of leading damage forms of laminates. Based on damage mechanics, fracture mechanics and cohesive theory, cohesive unites are constituted in this paper to simulate delamination accurately. The point of inflexion is a central characterization of damage resistance. Based on the experiments and finite element model, damage resistances of different laminates are determined by contrasting diverse inflexion value which can be calculated on impact force-time curves. The rationality of the model has been confirmed by the low-velocity impact test.%运用ABAQUS软件对复合材料层合板低速冲击下的损伤状态进行模拟,采用单一变量法,以损伤面积为表征参数,针对影响低速冲击下复合材料层合板损伤性能的诸多因素进行分析,以便在材料研制的初期预见其损伤阻抗.分层损伤是层合板低速冲击下的主要损伤形式之一,基于损伤力学、断裂力学和黏性理论,建立零厚度的三维界面单元来精确模拟层间分层.拐点是损伤阻抗的主要表征,基于试验研究和有限元模拟,在冲击力-时间曲线上计算出拐点,通过比较不同材料的拐点值,判定不同层合板的损伤阻抗.低速落锤冲击试验验证了此模型的合理性.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2011(031)006【总页数】6页(P81-86)【关键词】冲击损伤;影响因素;材料体系;冲头;铺层序列【作者】屈天骄;郑锡涛;范献银;郑晓霞【作者单位】西北工业大学航空学院,西安710072;西北工业大学航空学院,西安710072;西北工业大学航空学院,西安710072;沈阳发动机设计研究所,沈阳110015【正文语种】中文【中图分类】TB332低速冲击对复合材料层合板造成的损伤会使结构的力学性能退化，严重威胁飞机机体的安全。
低速冲击下CFRP层合板的损伤分析与数值模拟
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重 型 机 械$$ $$$$$$$$$$$$$$$$"'"# :&^.
曲变形的趋势" 与锤头接触的一侧受到压缩" 另 一侧受到拉伸" 因此基体拉伸损伤主要出现在试 样背部" 纤维压缩损伤出现在与锤头接触的表 面% 如图 1 所示是 '^. K冲击能量下纤维和基体 的起始损伤情况%
因此冲击角为 'n% 所以任意角度释放摆锤的势
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根据式!#$ 可以通过冲击能量推算摆锤释放
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试验" 试样破坏过程中所吸收的冲击能 5如表 ! 所示%
表 !$冲击强度测定
关键词 碳纤维层合板# 低速冲击# 损伤演化 中图分类号 +L##"$$文献标志码 /$$文章编号 !''! 0!)12"'"#'. 0''## 0'.
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预浸布每层厚度约为 '^" YY" 共铺设 !' 层" 如
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复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤研究
复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤研究复合材料蜂窝夹芯板是一种轻质高强度的材料，广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等领域。
然而，在实际使用过程中，复合材料蜂窝夹芯板容易受到低速冲击损伤，影响其使用寿命和安全性能。
因此，对复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤进行研究具有重要意义。
复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤机理主要包括弯曲、剪切、拉伸和压缩等多种形式。
其中，弯曲和剪切是最常见的损伤形式。
在低速冲击过程中，复合材料蜂窝夹芯板的表面会出现裂纹和凹陷，进而导致板材的强度和刚度下降。
为了研究复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤，研究人员采用了多种方法，如数值模拟、实验测试和理论分析等。
其中，数值模拟是一种有效的手段，可以预测复合材料蜂窝夹芯板在低速冲击下的损伤情况。
实验测试则可以验证数值模拟的结果，并提供更加真实的数据。
理论分析则可以深入探究复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤机理和规律。
研究表明，复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤与多种因素有关，如冲击速度、冲击角度、板材厚度、芯材类型和面板材料等。
其中，板材厚度和芯材类型是影响复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤的重要因素。
较厚的板材和高强度的芯材可以提高复合材料蜂窝夹芯板的抗冲击性能。
为了提高复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击性能，研究人员提出了多种方法，如改变芯材结构、增加面板厚度、加强面板和芯材之间的粘结等。
其中，改变芯材结构是一种有效的方法，可以通过设计不同形状和大小的蜂窝结构来提高复合材料蜂窝夹芯板的抗冲击性能。
总之，复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤是一个复杂的问题，需要综合运用数值模拟、实验测试和理论分析等方法进行研究。
通过深入探究其损伤机理和规律，可以为提高复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击性能提供理论基础和技术支持。
复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素
复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素朱东俊;张玮;葛亮;杨程【摘要】基于二维Hashin失效准则，在充分考虑低速冲击下层合板纤维和基体拉压失效等损伤模式下，计及材料退化并引入损伤因子，运用ABAQUS软件建立复合材料层合板低速冲击有限元模型。
运用该模型深入研究层合板低速冲击问题，考察其动态响应和损伤演化过程，数值结果和实验值吻合良好，验证模型的合理性和准确性。
在此基础上，通过对层合板进行各冲击工况的数值模拟，详细讨论冲击能量、铺层形式等参数对层合板低速冲击动态响应和损伤特性的影响规律。
%A finite element model for analyzing low velocity impact damage of composite laminates was established base on ABAQUS software platform, the typical failure modes, such as fiber break, matrix cracking were simulated by employing the two-dimensional Hashin criterion, material degradation and damage factor were taking into account in this model. By adopting this model, the dynamic response and damage propagation of laminates were studied. The numerical results well agree with the experimental results and thus verify the accuracy of the model. On this foundation, laminates under various impact conditions were simulated. Parametric studies were conducted to study the effects of the impact energy and stacking sequence on the dynamic response and the damage of composite laminates under low velocity impact.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2014(000)011【总页数】9页(P57-65)【关键词】层合板;低速冲击;动态响应;损伤【作者】朱东俊;张玮;葛亮;杨程【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001;海军装备研究院，北京100161;哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TB33复合材料层合板拥有优良的力学性能，已被广泛的应用于航空航天及船舶等领域。
基于 ABAQUS 的复合材料低速冲击损伤分析
基于 ABAQUS 的复合材料低速冲击损伤分析万铖;金平;谭晓明;王德【摘要】Objective To analyze the damage of composite laminates under different impact and to verify the rationality and validity of the finite element model. Methods Drop hammer impact test machine was used for the CCF300 / 10128H fi-ber resin matrix composite laminates,afterthat,Ultrasonic C-scan was used to scan the test piece. And then a finite element model was established, ABAQUS was used to simulate the impact process. Results The results of finite element simulation were in good agreement with the experimental results. Conclusion The internal damage rapidly increased with the increasing impact. When penetrated damage occurred,the damage became mild,and the finite element could relatively well predict low-impact damage of composites.%目的：分析不同冲击能量对复合材料层合板的损伤情况，验证有限元模型的合理性和有效性。
T300-69层合板边缘多角度低速冲击损伤及剩余压缩强度研究
T300-69层合板边缘多角度低速冲击损伤及剩余压缩强度研究T300/69层合板边缘多角度低速冲击损伤及剩余压缩强度研究摘要：本文旨在研究T300/69层合板在边缘多角度低速冲击下的损伤程度以及其对剩余压缩强度的影响。
采用实验方法对合板样品进行不同角度的低速冲击试验，通过破坏机制、损伤程度和剩余压缩强度的分析，揭示了合板在边缘多角度低速冲击下的破坏行为及损伤机制。
实验结果表明，冲击角度对合板损伤程度和剩余压缩强度有着显著的影响。
1. 引言合板作为一种常见的复合材料结构，在航空航天、航空及其他行业中得到广泛应用。
然而，合板在实际使用过程中容易受到外界冲击的影响，导致损伤和失效，影响结构的稳定性和安全性。
因此，研究合板在不同冲击条件下的破坏行为和损伤机制具有重要意义。
2. 实验方法本实验采用T300/69层合板样品，通过投影仪确定合板的几何尺寸和冲击点位置。
使用多角度低速冲击试验机对合板样品进行冲击，冲击能量和冲击速度根据实际需求设定。
3. 结果与分析3.1 冲击角度对破坏行为的影响实验结果表明，合板在不同冲击角度下的破坏行为存在差异。
当冲击角度为0°时，合板呈现出较为严重的破裂和剥离。
随着冲击角度的增加，合板的破坏行为逐渐向内部转变，呈现出较为平均和均匀的破坏特征。
3.2 冲击角度对损伤程度的影响通过扫描电子显微镜观察合板损伤面的形貌，发现在不同冲击角度条件下，合板的损伤程度不同。
当冲击角度为0°时，合板表面出现较为严重的纤维破裂和树脂破碎。
随着冲击角度的增加，合板的损伤程度逐渐减小，表面纤维破裂减少，树脂破损程度较轻。
3.3 冲击角度对剩余压缩强度的影响剩余压缩强度是评估合板损伤程度的重要指标之一。
本实验通过压缩试验测试合板在不同冲击角度下的剩余压缩强度。
结果显示，随着冲击角度的增加，合板的剩余压缩强度逐渐增加，说明合板在较大冲击角度下的损伤程度较轻，结构的稳定性得到一定的保障。
复合材料的低速冲击特性与损伤模式
侵入损伤的典型曲线——冲头位移速度能量以及 接触力随时间位移的变化曲线。
穿透损伤的典型曲线——冲头位移速度能量以及 接触力随时间位移的变化曲线。
冲击实验结果显示: 冲击能量的大小 直接影响了复合材料对应的损伤模式冲 击能量为50 J时，复合材料呈侵入损伤; 冲击能量为100J时，复合材料呈穿透损 伤，且侵入损伤呈闭环特性，能量比率 小于1；而穿透损伤呈开环特性，能量比 率等于1。
损伤力学简介
讲稿人： 闫华杰 指导教师：王吉会
Contents
损伤相关概念 损伤分类 复合材料的低速冲击特性与损伤模式
相关概念
损伤：在外载和环境的作用下，由于细 观结构的缺陷（如微裂纹、微空洞）引 起的材料与结构的劣化过程，称为损伤。 损伤力学：研究含损伤材料的性质（应 力、应变），以及在变形过程中损伤的 演化发展直至破坏（微裂纹的萌生、扩 展或演变、体积元的破裂、宏观裂纹形 成、裂纹的稳定扩展和失稳扩展）力学 过程的学科。
复合材料的低速冲击特性与损伤模式
查阅了与之相关的文献，具体实验如下： 采用以PBT(poly butylene terephthalate)为基体、 双向编织的平纹玄武岩纤维布为增强基的复合 材料层合板。文中落锤冲击试验过程根ASTM 实验标准执行，试样尺寸为120mm×120mm， 冲头为直径12.7mm的球头，在落锤试验机上通 过改变落锤的高度来调节冲击能量，其中冲头 的质量为16kg，分别对试样施加100J和50J的冲 击能量。
复合材料层合板在低速冲击作用下的损伤分析
上 面内损伤 对层 间分层 影响很 大 。 基于有 限元方 法 ， 据 复 合 材料 层 合 板 的损 伤 根
特征 ， 复合 材料 层 合板 看 作 是 由宏 观 材 料性 能 相 将 同的单层 板通 过 界 面粘 结 而成 的一 种 结构 ， 立 了 建 考 虑层 内损伤 的单层 板 的逐渐 累积 损伤 分析 模型 和 考虑 层 间分 层 损伤 的层 间 界 面分 层 损伤 模 型 ， 预 来 测复 合材料 层合板 在 冲击作用 下 的损伤 。模 拟结果
航 空 航 天
复合材 料 层 合板在 低 速 冲 击作 用 下 的损伤 分析
，
张
丽 李亚智 张金奎 Байду номын сангаас
（ 西北工业大学航空学院 ， 西安 ７ ０ ７ ） １０ ２
摘
要
进行 了复合材料层合板在低速冲击载荷 作用下 的损伤模 拟数值 分析。建 立 了实体 单元 与 ｃｈｓ ｅ界 面单元相结合 ｏｅｉ ｖ
展过 程 ， 他 以应力更新 作为材 料参 数退 化方 式 ， 但 很
难反 映 出材 料 自身 性 能 的 退 化 。Ｌｕ和 Ｚ ｅ ｇ２运 ｉ ｈｎ＿ 用能量 刚度退 化 方 法 来 预测 碳 纤 维／ 氧 基 复合 材 环 料的 损 伤 特 性 ， 没 有 考 虑 层 间 分 层 失 效。 但 Ａ ｍ ｒ ｈＩ 则使 用 ｃ ｈｓ ｅｚｎ 模 拟不 同铺层 的层 ｙ ｅｉ ］ ｃ ｓ ｏ ｅｉ ｏ ｅ ｖ 间区域 ， 好 地 预 测 了分 层 损 伤 的位 置 、 状 和 大 较 形 小 。但是该 方法 没 有 考虑 面 内损 伤 的影 响 ， 事 实 而
烈， 不再适 合使 用 基 于应 力 描 述 的 准 则来 预 测 复 合 材料 层合 板 的冲击 损伤 。而 应变 在 复合 材料 结 构 发 生损 伤前 后变 化 比应 力 较 平 缓 。所 以 ， 于 应 变 的 基
纤维增强复合材料层合结构冲击损伤
纤维增强复合材料层合结构冲击损伤编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（纤维增强复合材料层合结构冲击损伤）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
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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 ％。
复合材料层合板损伤失效模拟分析
复合材料层合板损伤失效模拟分析随着科技的不断发展，复合材料在现代社会中的应用越来越广泛。
其中，层合板作为一种具有优异性能的材料，被广泛应用于航空、航天、汽车等领域。
然而，层合板在服役过程中也存在着损伤失效的问题，对于其损伤失效的模拟分析方法进行研究具有重要意义。
关键词：复合材料、层合板、损伤失效、模拟分析复合材料层合板具有高强度、高刚度、耐腐蚀等优点，因此在各个领域得到了广泛的应用。
然而，其在服役过程中会受到各种载荷的作用，如应力、温度、化学环境等，容易导致损伤失效的问题。
在有些情况下，损伤失效可能引发重大安全事故，因此对复合材料层合板损伤失效的模拟分析方法进行研究，对于提高其服役性能和安全性具有重要意义。
内在因素：主要包括材料的制备工艺、微观结构和组成成分等。
这些因素会影响材料的力学性能和耐久性，如强度、刚度、韧性和耐腐蚀性等。
外部因素：主要包括服役过程中的各种载荷作用、环境条件和服役时间等。
这些因素会影响材料的应力状态和环境适应性，如拉伸、压缩、弯曲和耐高温性能等。
基于力学模型的模拟方法：根据材料的力学性能和外部载荷的作用，建立力学模型，如有限元模型、应力-应变模型等，对材料的损伤失效进行模拟和分析。
基于物理模型的模拟方法：根据材料的微观结构和组成成分，建立物理模型，如分子动力学模型、晶格动力学模型等，对材料的损伤失效进行模拟和分析。
基于经验模型的模拟方法：根据大量的实验数据和经验公式，建立经验模型，如响应面模型、神经网络模型等，对材料的损伤失效进行模拟和分析。
本文介绍了复合材料层合板损伤失效模拟分析的相关内容。
复合材料层合板在服役过程中会受到各种载荷的作用和环境条件的影响，容易导致损伤失效的问题。
为了有效预测和控制其损伤失效，需要建立合适的模拟分析方法。
目前，基于力学模型、物理模型和经验模型的模拟方法已被广泛应用于复合材料层合板的损伤失效模拟和分析中。
这些方法可用来研究材料的内在因素和外部因素对损伤失效的影响，从而为提高材料的服役性能和安全性提供指导。
基于Hashin准则的复合材料层合结构低速冲击研究
基于Hashin准则的复合材料层合结构低速冲击研究吴振;陈健【摘要】利用ABAQUS软件对复合材料层合板结构低速冲击过程中层内破坏以及层间破坏进行相关探究.在有限元模型中使用壳单元与实体壳单元模拟复合材料部分,利用Hashin准则并结合损伤演化过程模拟层内破坏,引入内聚力单元模拟分层破坏.通过与Y.Shi的实验结果进行对比分析得出:实体壳单元可更好地应用于复合材料层合结构低速冲击问题.并且基于上述结论以及在工程方面的应用对复合材料加筋结构低速冲击问题进行了相关研究,结果表明:复合材料加筋结构可以较为有效地抵抗低速冲击破坏;冲击位置距筋条越近,结构吸收能量越多;结构破坏沿着筋条方向扩展.为复合材料加筋结构的设计以及仿真提供参考.【期刊名称】《沈阳航空航天大学学报》【年(卷),期】2017(034)005【总页数】9页(P12-20)【关键词】复合材料;层间破坏;Hashin准则;低速冲击;加筋结构【作者】吴振;陈健【作者单位】沈阳航空航天大学辽宁省飞行器复合材料结构分析与模拟重点实验室,沈阳110136;沈阳航空航天大学辽宁省飞行器复合材料结构分析与模拟重点实验室,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】V258+.3复合材料在制造与使用过程中存在大量不同程度的冲击碰撞现象，且复合材料层合板层间刚度较低，对冲击载荷表现出相对脆弱的力学行为，因此对复合材料结构进行冲击分析十分必要。
国内外学者对复合材料冲击问题进行了研究，并且取得许多成果[1-4]。
复合材料的冲击过程常常伴随多种损伤形式，并且这些损伤会共同作用在整体冲击过程中，因此亟待提出一种高效、稳定、快速的分析方法模拟复合材料冲击过程。
有限元技术广泛应用于工程计算等领域，结合Hashin[5-6]、Chang-Chang[7]以及Puck[8]等人提出的失效判据，可有效分析层合板的层内破坏以及层间损伤问题。
本文采用传统Hashin准则对层内破坏过程进行进行模拟。
复合材料结构低能量冲击损伤与维护
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低速冲击下复合材料层合板损伤分析_温卫东
初始分层, 因而不便于实际应用。徐颖等[ 3] 采用刚度 退化技术和改进的 Chang2Chang[ 4] 失效准则模拟了四 种冲击损伤的产生和扩展过程, 建立了三维低速冲击 逐渐累积损伤预测模型, 虽然该模型预测的损伤面积 与实验结果吻合较好, 但是对分层损伤形状的预测结 果不是很理想。
综上所述, 目前关于冲击分析的逐渐累积损伤模 型, 对分层损伤的预测结果都不是很理想, 且都忽略了 由挤压应力引起的纤维挤压损伤和由拉应力引起的纤 维断裂损伤的区别。本工作针对上述不足, 对冲击载 荷引起的层合板损伤开展了进一步研究。从分层损伤 机理出发, 发展了一种分层损伤判据, 该判据考虑了层 间拉应力、层间剪应力和基体开裂等引发分层损伤的 因素, 并且在损伤分析时, 区分了冲击正面由冲头挤压 引起的纤维挤压损伤和冲击背面由弯曲拉应力引起纤 维断裂损伤, 模拟了包括纤维断裂、纤维挤压、基体开 裂、基体挤压以及分层在内的五种损伤模式在冲击载 荷下的起始和扩展过程, 分析了基体开裂和分层之间 的相互影响, 改进了低速冲击逐渐累积损伤模型。应
性能退化方式为: Ezz , Gxz , Gyz , vxz , vyz 退化到 0。 根据上述分析方法, 本工作在 ANSYS 软件基础
上, 开发了参数化复合材料层合板在冲击载荷下的逐
渐损伤分析模拟程序, 具体流程参见文献[ 3] 。
2 算例分析
为了验证模型的正确性, 本工作预测了三种不同 材料体系的复合材料层合板在低速冲击载荷作用下损 伤的起始和扩展过程, 并与实验结果进行了比较。
算例 1: 碳纤维环氧基复合材料层合板 层合板几何 尺寸为 60mm @60mm, 铺层顺 序为 [ 04 , 908 , 04 ] , 受冲击处是直径为 50mm 的圆形区域。 冲击 系统有限元 模型如图 1 所示。冲头 直径为 25mm, 质量为 2. 428kg, 冲 击速度为 1. 17m/ s。层合 板材料属性见文献[ 5] 。
低速冲击作用下层合板损伤试验研究与数值分析
低速冲击作用下层合板损伤试验研究与数值分析张㊀维(中国飞机强度研究所ꎬ陕西西安７１００６５)摘㊀要:参照标准试验方法ꎬ开展了层合板低速落锤冲击试验ꎬ获取了不同冲击能量下凹坑深度等试验数据ꎬ并对含冲击损伤层合板进行了剩余压缩强度试验ꎮ研究了凹坑深度－冲击能量㊁剩余压缩强度－凹坑深度的变化关系ꎬ并讨论了低速冲击过程中的损伤演变过程和层合板的压缩破坏模式ꎮ建立了层合板低速冲击损伤分析模型ꎬ分别采用Ｈａｓｈｉｎ失效准则和界面单元模拟单层失效与分层损伤ꎬ利用有限元分析了层合板低速冲击过程ꎬ得到了不同冲击能量下分层损伤面积ꎮ结果表明ꎬ凹坑深度可以较好地表征层合板抵抗冲击的能力ꎬ随着冲击能量的增大ꎬ剩余压缩强度随凹坑深度的增加而明显降低ꎮ有限元分析得到的分层损伤面积与含损伤层合板超声Ｃ扫描结果吻合较好ꎮ关键词:低速冲击ꎻ层合板ꎻ损伤ꎻ失效中图分类号:Ｖ２１６ ５＋５㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ｂｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７４－３４０７.２０１８.０２.００６Experimental Study and Numerical Simulation on Low ￣Velocity ImpactDamage of Composite LaminatesZhang Wei(Aircraft Strength Research Institute of China,Xi ᶄan 710065,Shaanxi,China )Abstract :According to the standard test method,low ￣velocity impact tests of composite laminates are carried out.Test data such as indentation depth is obtained and compressive residual strength of damaged laminates is tested.The relationships between indentation depth and impact energy,and residual compressive strength and indentation depth,are studied.The damage process subjected to low ￣velocity impact and failure pattern under compression are also discussed.Analysis model for low ￣velocity impact of laminates is established,Hashin failure criteria and cohesive element are used to simulate interlaminar failure and delamination,respectively.Low ￣velocity impact process of laminates is simulated by FEM simulation,and delamination damage area under different impact energies is obtained.Results reveal that indentation depth can characterize the ability to resist impact,and residual compressive strength decreases obviously with the increasing of indentation depth.The delamination damage area obtained by FEM matches well with that of the damaged laminates obtained by C ￣scan.Keywords:low ￣velocity impact;composite laminates;damage;failure㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀[收稿日期]㊀２０１８－０３－１２[作者简介]㊀张㊀维(１９８６－)ꎬ男ꎬ陕西西安人ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ主要研究方向:计算力学与结构强度分析ꎮ１㊀引㊀言纤维增强复合材料与常规金属材料相比ꎬ具有比强度高㊁可设计性强㊁工艺性好等诸多优点ꎬ因而广泛地应用于航空航天领域[１]ꎮ复合材料结构对面外冲击载荷较为敏感ꎬ冲击造成的损伤会大幅削弱层合板压缩强度ꎬ使得结构承载能力大大降低[２]ꎮ因此ꎬ复合材料冲击损伤越来越多地受到广大研究者的关注ꎮ４２ Ｖｏｌ.５８Ｎｏ.２㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀工程与试验㊀ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＴＥＳＴ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｊｕｎ.２０１８试验研究与数值模拟是研究复合材料冲击损伤问题最主要的两种手段ꎮ杨宇等[３]研究了含损伤层合板的压缩破坏机制ꎬ通过超声Ｃ扫描和声发射获得了分层损伤分布和压缩破坏过程ꎮ程小全等[４]进行了不同能量下层合板冲击试验ꎬ给出了不同冲击能量下冲击表面与冲击背面的损伤状态ꎮ刘洪权等[５]建立了模拟层间应力及损伤的有限元模型ꎬ采用内聚力单元模拟层间损伤起始与扩展ꎬ数值模拟结果与试验结果吻合较好ꎮＭｏｕｒａｌ等[６]在板壳元基础上发展了一种新力学模型ꎬ将低速冲击视为准静态过程ꎬ没有考虑渐进损伤ꎮ林淡等[７]建立了预测含损伤层合板压缩破坏强度分析模型ꎬ将有限元分析得到的冲击损伤状态作为初始条件ꎬ考虑材料失效准则与刚度退化ꎬ损伤演化过程的破坏模型与试验结果非常一致ꎮ本文开展了不同冲击能量下层合板低速冲击试验ꎬ得到了不同能量下冲击凹坑深度ꎬ并对含损伤层合板进行了剩余压缩强度试验ꎮ在此基础上ꎬ建立了层合板冲击损伤预测有限元分析模型ꎬ分别采用Ｈａｓｈｉｎ失效准则和界面单元模拟单层与层间破坏ꎬ预测了不同冲击能量下层合板分层损伤面积ꎬ并与无损检测结果进行了对比ꎮ２㊀层合板落锤冲击试验２.１㊀试验过程层合板冲击试验参照美国材料与试验协会ＡＳＴＭＤ７１３６ 测量纤维增强聚合物基复合材料对落锤冲击事件的损伤阻抗的标准试验方法 [８]ꎮ层合板尺寸１００ｍｍˑ１５０ｍｍꎬ铺层为[４５/０/－４５/９０]３ｓꎮ半球形冲头材质为钢ꎬ质量５.５ｋｇꎬ直径１６ｍｍꎮ本文试验用层合板由国产ＵＳＮ２００００型单向碳纤维预浸料通过真空袋－热压罐成型工艺制备而成ꎬ单层厚度０.２ｍｍꎬ并且采用多功能超声波探伤仪对成型层合板进行了无损检测ꎬ确保试验件无初始损伤ꎮ如图１所示ꎬ用带有半球形冲头的落锤试验装置使矩形层合板受到面外冲击ꎬ试验件对中放置在带有４个夹子的试验夹具上ꎬ冲击后取出层合板并立刻测量其凹坑深度ꎮ２.２㊀试验结果分析２.２.１㊀损伤形貌层合板冲击后典型形态如图２所示ꎬ在３２.６Ｊ图１㊀落锤冲击试验装置㊀冲击能量下ꎬ层合板表面冲击区域有肉眼明显可见的局部圆形凹坑ꎬ背面中部有向外拱起现象ꎬ并且用肉眼能观察出沿该层纤维方向的开裂ꎮ层合板非冲击区域没有明显的变化ꎮ(ａ)冲击表面(ｂ)背面图２㊀冲击后层合板典型形态㊀２.２.２㊀凹坑深度与冲击能量变化关系不同冲击能量下ꎬ层合板凹坑深度与冲击能量变化关系如图３所示ꎮ凹坑深度随冲击能量的增大而增大ꎬ二者具有明显的一一对应关系ꎮ冲击能量为９Ｊ㊁１２Ｊ时ꎬ凹坑深度很小ꎬ肉眼几乎不能识别ꎮ５２Ｎｏ.２２０１８㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张㊀维:低速冲击作用下层合板损伤试验研究与数值分析随着冲击能量逐渐增大ꎬ在冲击能量为１０Ｊ－２０Ｊ之间时ꎬ凹坑深度增加很快ꎬ在层合板表面会出现肉眼明显可见的近似圆形凹坑ꎻ冲击能量继续增大ꎬ凹坑深度增速变缓ꎬ在整个过程中ꎬ层合板非冲击区域都没有明显的变化ꎮ图３㊀凹坑深度－冲击能量曲线㊀３㊀层合板剩余压缩强度试验含损伤层合板剩余压缩强度试验参照美国材料与试验协会ＡＳＴＭＤ７１３７ 含损伤聚合物基复合材料板剩余压缩强度性能的标准试验方法 [９]ꎬ试验件紧密安装在试验夹具上ꎬ确保夹具对试验件提供足够的支持且损伤部位位于夹具的中心ꎮ把夹具放在试验机的平台上ꎬ调节夹具ꎬ保证对中加载ꎬ如图４所示ꎮ图４㊀剩余压缩强度试验㊀３.１㊀压缩破坏过程受３２.６３Ｊ能量冲击后ꎬ层合板最大压缩载荷为１１３.３ｋＮꎬ剩余压缩强度为２３２ＭＰａꎮ压缩过程中的载荷－位移曲线如图５所示ꎬ试验件破坏之前曲线基本为线性ꎬ达到极限承载能力时层合板突然破坏ꎮ破坏发生前ꎬ可以听到随着加载发出的连续 嘶嘶 声ꎬ表明损伤发生急剧扩展而丧失承载能力ꎮ图５㊀载荷－位移曲线㊀冲击后层合板中部发生损伤ꎬ在压缩载荷作用下ꎬ损伤从中部沿与载荷垂直方向扩展ꎬ因此压缩破坏的典型模式是贯穿中心损伤区域的层合板压断ꎬ如图６所示ꎮ当冲击载荷很小时ꎬ冲击表面凹坑目视不可见ꎬ未对层合板造成实质性损伤ꎬ此时由于层合板刚度较大ꎬ通常在层合板压断之前夹持端夹具会松动弹开ꎬ造成端部压溃ꎬ如图７所示ꎮ图６㊀冲击后压缩典型破坏模式㊀图７㊀端部压溃㊀３.２㊀剩余压缩强度与凹坑深度变化关系表１所示是不同冲击能量下凹坑深度与层合板６２ 工程与试验㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｊｕｎｅ２０１８剩余压缩强度试验数据ꎮ开始阶段ꎬ当层合板表面出现肉眼可见凹坑后ꎬ剩余压缩强度随冲击能量的增加而降低得非常快ꎮ随着冲击能量增大ꎬ下降趋势逐渐平缓ꎮ９Ｊ和１２Ｊ冲击能量ꎬ层合板压断之前夹持端松动弹开ꎬ以此时的强度值作为完好层合板的压缩强度ꎬ当冲击能量为４０Ｊ时ꎬ压缩强度减小了约５３.７％ꎬ可见面外冲击会大幅减小层合板的压缩强度ꎮ表１㊀层合板剩余压缩强度编号冲击能量(Ｊ)凹坑深度(ｍｍ)剩余压缩强度(ＭＰａ)１９０.０４６４０４２１２０.０５２４０５３１６０.１１２２８３４２００.１２８２８１５２５０.１３４２４６６３００.１５８２２１７３２.６３０.１７２２０３８４００.１９６１８７４㊀冲击损伤数值模拟４.１㊀冲击损伤分析模型复合材料层合板低速冲击的主要损伤模式为层内纤维㊁基体损伤和层间分层损伤ꎮ建立层合板冲击损伤有限元模型ꎬ采用连续壳单元模拟层合板单层特性ꎬ相邻两层之间插入一层界面单元模拟层合板分层损伤ꎮ冲头采用刚性体模拟ꎬ其优点是无需划分网格ꎬ计算效率高ꎮ４.１.１㊀层内损伤模型采用Ｈａｓｈｉｎ失效准则模拟单层板损伤ꎬ它考虑了纤维拉伸㊁纤维压缩㊁基体拉伸㊁基体压缩４种失效模式ꎬ当单元应力满足４个中的１个时ꎬ就认为损伤发生ꎮ纤维拉伸(＾σ１１ȡ０):Ｆｔｆ＝＾σ１１ＸＴæèçöø÷２＋＾τ１２ＳＬæèçöø÷２(１)纤维压缩(＾σ１１<０):Ｆｃｆ＝＾σ１１ＸＣæèçöø÷２(２)基体拉伸(＾σ２２ȡ０):Ｆｔｍ＝＾σ２２ＹＴæèçöø÷２＋＾τ１２ＳＬæèçöø÷２(３)基体压缩(＾σ２２<０):Ｆｃｍ＝＾σ２２２ＳＴæèçöø÷＋ＹＣ２ＳＴæèçöø÷２－１[]＾σ２２ＹＣ＋＾τ１２ＳＬæèçöø÷２(４)损伤起始判据定义了材料发生损伤前的力学行为以及何时发生损伤ꎬ损伤演化则描述了损伤发生后到破坏的过程ꎮ引入损伤变量ｄꎬ用来表征材料损伤的程度ꎬ它与材料损伤起始点参数㊁破坏点参数以及损伤演化过程有关ꎮ在有限元分析时ꎬ在给出损伤起始判据和材料参数后ꎬ通常需要给出与失效模式对应的应变能释放率ꎮ４.１.２㊀分层损伤模型在相邻两层之间插入一层 零厚度 界面单元ꎬ用界面单元是否发生损伤来判断分层是否发生ꎮ界面层损伤起始判据采用二次名义应力判据ꎬ见式(５)ꎬ它包含了法向正应力和两个切向应力的作用ꎮ<ｔｎ>ｔ０ｎ{}２＋ｔｓｔ０ｓ{}＋ｔｔｔ０ｔ{}２＝１(５)对于界面层的破坏ꎬ采用基于临界应变能释放率的破坏准则ꎮ复合材料层合板单层是横观各向同性材料ꎬ界面元的两个剪应力分量对应的开裂模式分别是Ⅱ型和Ⅲ型裂纹ꎬ采用ＢＫ破坏准则[１０]ꎬ分析时需给出３个方向的临界断裂能ꎬ则临界应变能释放率ＧＣ可根据式(６)确定ꎮＧＣ＝ＧＣｎ＋(ＧＣｓ－ＧＣｎ)ＧｓＧＴæèçöø÷η(６)４.２㊀有限元分析结果针对本文试验用层合板材料体系与铺层建立冲击损伤分析模型ꎬ标准冲击能量下分层损伤区域如图８所示ꎬ损伤面积约为７２６ｍｍ２ꎬ损伤区域近似为圆形ꎮ图８㊀分层损伤区域㊀不同冲击能量下层合板分层损伤面积如图９所示ꎬ分层损伤面积随冲击能量增大而增加ꎮ标准冲击能量之前ꎬ分层损伤面积随冲击能量增大而增加较快ꎬ说明层合板刚度下降较快ꎬ分层损伤对冲击能量较为敏感ꎮ随着冲击能量继续增加ꎬ分层损伤面积增加趋势明显变缓ꎬ表明层合板内部已出现较大的分层损伤ꎬ逐渐达到抵抗面外冲击的临界状７２ Ｎｏ.２２０１８㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张㊀维:低速冲击作用下层合板损伤试验研究与数值分析态ꎮ有限元分析得到的变化趋势与试验基本一致ꎮ图９㊀不同冲击能量分层损伤面积㊀图１０是３种不同冲击能量下冲头位移随时间变化的曲线ꎬ在一定的冲击能量范围内ꎬ冲击能量越大ꎬ冲头与层合板接触瞬时速度越大ꎬ冲头压入层合板位移越大ꎬ层合板弯曲变形越大ꎬ但冲头与层合板接触时间反而减小ꎮ图１０㊀冲头位移－时间曲线㊀图１１是冲击后层合板分层损伤超声Ｃ扫描形貌图ꎮ标准冲击能量下ꎬＣ扫描测量得到的分层损伤面积为８０３ｍｍ２ꎬ有限元分析结果为７２６ｍｍ２ꎬ相对误差为９.６％ꎮ１２Ｊ冲击能量下ꎬ无损检测结果为４０６ｍｍ２ꎬ分析结果为３５８ｍｍ２ꎬ相对误差为１１.８％ꎮ５㊀总㊀结本文开展了不同能量下层合板冲击试验和剩余压缩强度试验ꎬ根据获取的试验数据ꎬ研究了冲击能量㊁凹坑深度㊁剩余压缩强度之间的变化关系ꎬ并讨论了损伤演变过程和层合板的压缩破坏模式ꎮ建立了层合板低速冲击损伤分析模型ꎬ利用有限元分析了层合板低速冲击过程ꎬ得到了不同冲击能量下分层损伤面积ꎬ并与无损检测结果进行了比较ꎮ图１１㊀分层损伤Ｃ扫描形貌㊀本文试验与分析结果吻合较好ꎬ试验与分析方法可用于对其它材料体系研究ꎬ具有较好的工程实用价值ꎮ参考文献[１]张颖军ꎬ梅志远ꎬ朱锡.ＦＲＰ层合板低速冲击损伤特性研究现状与展望[Ｊ].玻璃钢/复合材料ꎬ２０１１ꎬ(１):５２－５８.[２]刘银纬ꎬ周晚林ꎬ张思远.复合材料低速冲击损伤的数值模拟研究[Ｊ].固体力学学报ꎬ２０１４ꎬ(Ｓ１):１－５.[３]杨宇ꎬ孙侠生ꎬ杨胜春ꎬ等.含冲击损伤复合材料层压板压缩破坏机制试验研究[Ｊ].复合材料学报ꎬ２０１２ꎬ２９(３):１９７－２０２.[４]程小全ꎬ张子龙ꎬ吴学仁.小尺寸试件层合板低速冲击后的剩余压缩强度[Ｊ].复合材料学报ꎬ２００２ꎬ１９(６):８－１２.[５]刘洪权ꎬ谭申刚ꎬ薛应举.基于内聚单元的复合材料层合板低速冲击损伤的数值模拟[Ｊ].机械科学与技术ꎬ２０１６ꎬ３５(９):１４５５－１４６０.[６]ＭｏｕｒａｌＭＤꎬＧｏｎｃａｌｖｅｓＪＰ.Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅ￣ｔｗｅｅｎｍａｔｒｉｘｃｒａｃｋｉｎｇａｎｄｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎｉｎｃａｒｂｏｎ－ｅｐｏｘｙｌａｍｉｎａｔｅｓｕｎｄｅｒｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｍｐａｃｔ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉ￣ｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２００４ꎬ６４:１０２１－１０２７.[７]林淡ꎬ张博平ꎬ江兴亨.含低速冲击损伤层合板的压缩破坏研究[Ｊ].航空工程进展ꎬ２０１３ꎬ４(４):５０３－５０８.[８]Ｓｔａｎｄａｒｄｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｄａｍａｇｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆａｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒ－ｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｏａｄｒｏｐ－ｗｅｉｇｈｔｉｍｐａｃｔｅｖｅｎｔ[Ｓ].ＡＳＴＭＳｔａｎｄａｒｄＤ７１３６/Ｄ７１３６Ｍꎬ２００７.[９]Ｓｔａｎｄａｒｄｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｐｒｏｐ￣ｅｒｔｉｅｓｏｆｄａｍａｇｅｄｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｔｅｓ[Ｓ].ＡＳＴＭＳｔａｎｄａｒｄＤ７１３７/Ｄ７１３７Ｍꎬ２００７.[１０]ＢｅｎｚｅｇｇａｇｈꎬＭ.Ｌ.ꎬＭ.Ｋｅｎａｎｅ.Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｍｉｘ－ｍｏｄｅｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｇｌａｓｓ/ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｍｉｘｅｄ－ｍｏｄｅｂｅｎｄｉｎｇａｐｐａ￣ｒａｔｕｓ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ１９９６ꎬ(５６):４３９－４４９.８２ 工程与试验㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｊｕｎｅ２０１８。
复合材料层合板低速冲击损伤容限的改进方法和影响因素
复合材料层合板低速冲击损伤容限的改进方法和影响因素
复合材料层合板低速冲击损伤容限的改进方法和影响因素
依据笔者在这方面的研究和前人的工作,以及现有各种改进炭纤维增强树脂基复合材料冲击性能的方法,分析和总结了复合材料层合结构冲击损伤以及损伤容限,其中主要是冲击后压缩强度的重要影响因素,并且讨论了这些因素的作用.
作者：程小全吴学仁作者单位：程小全(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) 吴学仁(北京航空材料研究院,北京,100095)
刊名：高分子材料科学与工程ISTIC EI PKU英文刊名：POLYMER MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING 年，卷(期)：2002 18(3) 分类号：O631.2+1 关键词：层间断裂韧性抗冲击性能低速冲击冲击后压缩强度损伤容限。
复合材料低速冲击损伤研究现状
复合材料低速冲击损伤研究现状摘要：复合材料由于具有比强度高、比刚度高、优异的疲劳强度、良好的耐腐蚀性和低导热性，已广泛用于航空航天、高速列车等领域中。
但由于复合材料结构的特殊性，其抗冲击性能比较差，在制造、运行、维护和维修过程中难免会发生异物(如跑道碎屑和掉落的工具)在平面外的冲击，虽然材料表面没有明显的损伤可见，但其内部可能已经出现了分层、脱粘等形式的损伤，严重降低材料的综合性能，进而对材料的安全性有严重的影响。
本文针对近年来复合材料冲击损伤进行了综述和回顾,介绍了试验方法、模拟计算方法、层合板损伤性能表征方法。
关键词：复合材料；低速冲击；冲击损伤1.复合材料冲击试验方法目前研究复合材料低速冲击损伤大部分以落锤冲击试验来进行研究，其试验标准主要有美国复合材料协会的ASTM D7136，波音公司的SACMA SRM 2-88，中国航空工业协会的HB6739-1993等。
而运用最广泛的是ASTM D7136[1]标准，其冲头一般是半球形，被冲击式样尺寸是150mm×100mm，通过调整冲头的高度来模拟不同的低能量冲击，常见的是中心面内冲击，如图1所示。
图1 冲击示意图Fig.1 Impact test setup通过对于复合材料低速冲击的研究，许多学者得出以下结论：(1) 即使在低能量的冲击下，复合材料也极易受到横向载荷引起的内部损伤。
面外冲击会导致弯曲变形，这会在复合材料结构上引入剪切、拉伸和压缩应力，复合材料表面在目视检查中可能看起来没有发生损坏；(2) 层合板受到冲击时，内部分层只发生在相邻层纤维方向不同的界面，并且分层损伤的形状为花生壳状；(3) 冲击损伤的初始模式取决于各种因素，如材料特性、边界条件、冲头形状、试验件形状和加载条件；(4)冲击的位置不同，层合板发生的损伤模式有着很大的不同。
2.复合材料冲击损伤分析理论目前，对于复合材料在工程实际应用的受力分析，大多学者主要采用的是三维渐进损伤方法，通过这种方法可以比较清楚地了解层合板产生损伤后的应力重新分布情况以及其损伤缓慢发展的过程。
复合材料层板低速冲击剩余强度的研究
复合材料层板低速冲击剩余强度的研究随着机械设备和交通运输工具的发展，层板结构以及它们的功能及性能都发生了很大的改变。
其中，材料的强度和抗疲劳性能是更加重要的考量，包括冲击剩余强度的研究在内。
层板的低速冲击剩余强度的研究是相当重要的，它可用来评估板材的抗冲击性能。
因此，对复合材料层板低速冲击剩余强度进行研究是有必要的。
一般来说，低速冲击是指冲击能量非常低的冲击，时间短暂且衰减非常快。
据研究表明，低速冲击可以产生特殊的过载状态，并使材料的强度和韧性降低，从而降低它的抗冲击性能。
复合材料层板由芯材和外表面层组成，其结构有利于改善材料的抗冲击性能。
另外，由于复合材料层板的力学参数较多，因此，研究其低速冲击剩余强度也较为复杂。
为了进一步研究复合材料层板的低速冲击剩余强度，本文通过实验研究，探讨了不同芯材、表面层和冲击力等参数对板材低速冲击剩余强度的影响。
实验结果表明：随着冲击力的增加，复合材料层板的低速冲击剩余强度也随之增加；而芯材和表面层材料的性能级别越高，其低速冲击剩余强度也越高。
此外，研究指出，层板表面工艺及前拉伸等因素也会对其低速冲击剩余强度产生影响，因此，对其进行有效的表面处理工艺及前拉伸处理，可以极大地提高其低速冲击剩余强度，从而改善其力学性能和结构安全性能。
本研究还提出了一套复合材料层板低速冲击剩余强度的评估方法，可以有效的评估层板的低速冲击剩余强度，并结合实验研究，为层板的设计和应用提供借鉴。
综上所述，本文以“复合材料层板低速冲击剩余强度的研究”为研究课题，进行了以实验研究和评估方法开展的相关研究，研究结果表明，层板的低速冲击剩余强度受材料结构、外表面工艺、前拉伸等影响因素，为层板的设计和应用提供了依据。
本研究突出了层板冲击剩余强度的重要性，说明了复合材料层板在机械设备及交通运输中的应用价值，并为更多的材料研究和应用提供了一定的参考。
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性 界 面单元 的有 限元模 型研究 了层 合板 低速 冲击 下 的分层 损 伤 。Ｓｔｏｅ 建 立 了 基 于层 合 板 理 论 的 ｅ ｄｈ ｏ
三 维 弹性有 限元 模 型 ， 拟层 合板 质量 、 合板 的材 料性 质对 冲 冲 层
涛 等 针 对 复 合 材 料 层 合 板 中采 用 落 锤 低 速 冲 击
１ 模 型 的建 立 与验 证
１ １ 模 型 的建 立 ．
收 稿 日期 ：０ １０ －５ 修 订 日期 ：０ １０ —２ ２ １—ｌ２ ； ２ １ ． ０ ４ 基 金 项 目 ： 家 自然 科 学 基 金 （０ ７ １７ 国 １８２ ６ ） 作 者 简 介 ： 天 骄 （９ ９ ） ， 士 ， 要 从 事 复 合 材 料 力 屈 １８ 一 女 硕 主 学 行 为 数 值 与 试 验 研 究 ，Ｅ ｍ ｉ ｉ ｏ２ １ ６ ＠ １６ ｃｒ。 （ ． ａ ）ｉ １３ ５ １ ２ ．ｏ ｌ ａ ｎ 通 讯 作 者 ： 锡 涛 （９ ４ ） 博 士 ， 授 ， 要 从事 复合 材 料 力 郑 １６一 ， 教 主
第 ３ 卷 第 ６期 １
２１ ０ １年 １ ２月
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Ｖｏ ． １ ３１， Ｎｏ ６ ．
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复 合 材 料层 合 板低 速 冲 击 损 伤 影 响 因素 分 析
建 立 了黏性 模 型来模 拟 复合材 料层 合结 构低 速 冲击
下 的损 伤起 始 和损 伤扩 展 。Ａ ｍｅｉ 使用 基 于 黏 ｙ ｒｈ ｃ
Ｍｏ ｒ… 等 进行 了碳 ／ 氧层 合 板 的低 速 冲击 试 验 ， ｕａ 环
研究 发现 层合 板在 低 速 冲击 下 的主要 损 伤形式 为 分 层和 横 向裂纹 。Ｃ ｏ 通过 试验 研究 了层合 板 受 冲 ｈｉ 击 时 基体 开裂 与分 层 之 间 的关 系 ， 为 基体 裂 纹是 认
阻抗 。 分层 损 伤 是 层 合 板 低 速 冲 击 下 的主 要 损 伤 形 式 之 一 ， 于 损 伤 力 学 、 裂 力 学 和 黏 性 理 论 ， 立 零 厚 度 的三 基 断 建
维 界 面 单 元 来 精 确 模 拟 层 间 分 层 。拐 点 是 损 伤 阻抗 的 主 要 表 征 ， 于试 验 研 究 和 有 限 元 模 拟 ， 冲击 力 一 间 曲线 基 在 时 上 计 算 出 拐 点 ， 过 比较 不 同材 料 的 拐 点 值 ， 定 不 同 层 合 板 的损 伤 阻抗 。 低 速 落 锤 冲击 试 验 验 证 了此 模 型 的合 通 判
理性 。
关 键 词 ： 击 损 伤 ；影 响 因 素 ； 料 体 系 ； 头 ； 层 序 列 冲 材 冲 铺
ＤｏＩ １ ． ９ ９ ｊ ｉｓ． ０ ５—０ ３ ２ １ ． ． ４ ：０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ ５ ５ ． ０ １６ ０１
中 图 分 类 号 ： Ｂ ３ Ｔ ３２
文 献 标 识 码 ：Ａ
分 析 ， 材料 体 系 、 如 冲击能量 、 冲头形 状 和直径 、 层合 板 的边界 条件 、 层序 列等 。 铺
国 内学者 对复 合材 料层 合板 低速 冲击 问题 也进 行 了大量 试 验 研 究 。沈 真 等 人 ’ 研 究 发 现 ， 的 落
锤 低 速冲 击试验 和 集 中准静 态压 痕试 验均会 出现拐 点 现象 ， 拐点 可 表 征纤 维 和 基 体 作 为 整体 抵 抗 冲 且 击 的最 大 能 力 。程 小 全 对 Ｔ ０ ／ ２ ８复 合 材 料 ３０ ５２ 层 合板 进行 了冲击 试 验 ， 到 了一 致 的结 论 。郑 锡 得
此， 研究 低 速 冲击 对 复 合 材 料 的 应 用 与发 展 有 非 常
重要 的工程 意义 。这 一领 域 已经 引起 了 国内外 学者 的高度重 视 。
早期 研究 大都 集 中于对 落 锤低 速 冲击试 验 的分
析， 以此 获得 层合 板在 不 同冲击 载荷 下 的损伤 规律 。
击 响应 的影 响 。
层合 板受 冲击 后 的初 始 损 伤 形 式 ， 层 的基 体 裂 纹 外
主要 是 由弯 曲作用 产生 的。
本 工作 运用 Ａ Ａ Ｕ ］ Ｂ Ｑ Ｓｌ 软件 开展 模 拟 分 析 ， ｏ 采 用 单一 变量 法 ， 以分 层 损 伤 面 积 为 表 征 参 数 ， 用 运 Ｈ ｓｉ 内失 效 准则 和 Ｂ Ｋ混 合 准 则 ， ａｈｎ面 — 针对 低 速 冲 击下 复合 材 料层合 板损 伤性 能 的诸 多影 响 因素 进行
屈 天骄 郑锡 涛 范 献 银 郑 晓霞 ， ， ，
（ ．西 北 工 业 大 学 航 空 学 院 ， 安 ７ ０ ７ ； ．沈 阳 发 动 机 设 计 研 究 所 ，沈 阳 １ ０ １ ） １ 西 １ ０２ ２ １０ ５
摘要 ： 用 Ａ Ａ Ｕ 运 Ｂ Ｑ Ｓ软 件 对 复 合 材 料 层 合 板 低 速 冲 击 下 的 损 伤 状 态 进 行 模 拟 ， 用 单 一 变 量 法 ， 损 伤 面 积 为 表 采 以 征 参 数 ， 对 影 响低 速 冲击 下 复 合 材 料 层 合 板 损 伤 性 能 的 诸 多 因 素 进 行 分 析 ， 针 以便 在 材 料 研 制 的初 期 预 见 其 损 伤
文 章 编 号 ： ０ ５５ ５ （ ０ １ ０ － ８ －６ １ ０ —０ ３ ２ １ ） ６ ０ １ ０ ０
低 速 冲击对 复合 材料 层合 板造 成 的损伤 会使 结
构 的力 学性 能退 化 ， 重威 胁 飞 机 机 体 的 安全 。 因 严
和集 中准 静态 压痕 两种 方式 引入 的损 伤状态 的等效 性 进行 了研究 ， 并依 据试 验 研 究 提 出 了两 种 损 伤 引 入方 式 的等效性 公 式 。 为 了更 好 地研 究 层 合 板 的损 伤 机理 ， 内外 学 国 者提 出 了不 同的 计算 模 型 。Ｋ ｂ ｉ 基 于 ＭＣ Ｆ ｕ ａ ｒ Ｖ Ｅ，