复合材料的低速冲击特性与损伤模式
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。
复合材料板的低速冲击与损伤刚度矩阵之间的关系
复合材料板的低速冲击与损伤刚度矩阵之间的关系下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤研究
的周 期性 ， 因此 一 般采 用 均 匀 化 的方法 将其 等 效 为 连续 体 。 国 内外 学 者 通 过 研 究 给 出 了等 效 蜂 窝 芯 子弹 性 常数 的预报 公 式 ， 研 究 了弹性 常数 与 蜂 窝 并 芯子 材料 和几 何 尺 寸 的关 系 。Ｖ ｉｙ 人 ，对 低 ａｄａ等 ６ 速 冲击下 中空 的 环 氧 树 脂 蜂 窝 夹 芯 板 的 冲 击 力 学 性能 进行 了实 验研 究 ， 与 泡 沫 材 料 和 蜂 窝 芯子 进 并
等效为均匀 的正交各项异性材料 。采用基 于应 变的 Ｈ ｓｉ ａｈｎ三维失效准则和 Ｙ ｈ分层失效准则对面板 损伤进行 判断。使 用部 ｅ 分刚度折减对损伤材料性 能进行退化 。利用用 户子程序 将损伤判据和刚度 折减 方案引入到 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ软件 中。模拟 了复合材
料蜂窝夹芯板低速冲击损伤 渐进过程 ， 与试验结果进行验证 。证 明了该方 法的合理性 ， 并 最后讨论 了各 种参数对冲 击响应和
第 一作 者简介 ： 李进亚 （９ ６ ） 硕 士， 究方 向： １８ 一 ， 研 力学仿 真与建模 。
Ｅｍａ ：ｊ ｙ＿６ ＠ １３ ｔｍ。 － ｉ ｌｉ ａ １ ３ ６ ．ｏ ｌ ｉｎ
复合材料蜂窝板 的低速 冲击损伤有多种损伤 模式 ， 且在冲击过程 中各种损伤模式 间有相互耦合 作用。为了简化蜂 窝板 的低速冲击模型， 只考虑 了
第１ ２卷
第１ ０期
２１ ０ ２年 ４月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ．１ Ｎｏ ０ Ａｐ ．２０１ １ ２ ．１ ｒ ２
叠层缝合碳纤维增强铝基复合材料低速冲击及冲击后剩余压缩力学性能
叠层缝合碳纤维增强铝基复合材料低速冲击及冲击后剩余压缩力学性能顾 姝, 蔡长春, 余 欢*, 徐志锋, 王振军（南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室, 南昌 330063）摘要：以铝合金ZL301为基体，碳纤维叠层缝合织物为增强体，采用真空压力浸渗工艺制备叠层缝合碳纤维增强铝基（叠层缝合C f /Al ）复合材料。
通过室温落锤冲击实验，研究冲击载荷及能量随时间的变化行为规律，采用光学显微镜和工业数字X 射线成像系统观测其冲击损伤形貌，分析冲击损伤机理。
通过冲击后压缩（CAI ）实验，研究复合材料在不同冲击能量下沿经纱方向的剩余强度，观察压缩试样宏观与微观断口形貌，分析压缩失效机制。
结果表明：冲击载荷作用下叠层缝合C f /Al 复合材料发生了显著的局部损伤，正面损伤区域出现了较明显的凹坑，而其背面出现明显的沿经向的裂纹，裂纹长度随冲击能量增加而增大，损伤模式主要表现为基体开裂和纤维断裂拔出；冲击后的经向压缩强度随冲击能量的增大而下降，压缩后的复合材料出现了从冲击裂纹端部沿纬纱方向扩展到试样边缘的横向裂纹，压缩宏观断口中纱线结构破坏严重程度随冲击能量的增加而加重，而压缩后的微观断口均呈现出纤维剪切断裂后参差不齐的形貌。
关键词：叠层缝合；C f /Al 复合材料；低速冲击；冲击后压缩；失效机制doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000209中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2022)03-0080-09纤维增强复合材料（FRP ）因密度小、比强度高、比模量大、各项力学性能优异而被广泛应用，其中碳纤维增强复合材料（CFRP ）以其高强高模、耐高温、可多维编织、热力学性能优良等特点脱颖而出，广泛应用于航空航天领域，但其特殊的使用环境中存在如飞鸟、冰雹等外来物体的冲击，对复合材料造成一定程度的损伤，降低其力学性能，缩短其使用寿命，影响飞行安全。
碳纤维复合材料低速冲击特性及损伤分析研究
碳纤维复合材料低速冲击特性及损伤分析研究钭李昕;王秋成;陈光耀【摘要】针对碳纤维复合材料汽车保险杠的低速耐冲击性能问题,利用真空辅助树脂扩散成型工艺制备了不同铺层比例与铺层顺序的碳纤维复合材料试样,对其进行了简支梁低速冲击性能试验,根据低速冲击响应特性曲线及损伤模式探究了复合材料能量吸收机理;同时基于ABAQUS/Explicit对典型铺层试样建立了简支梁冲击仿真模型,利用Hashin失效准则进行失效判断,研究了低速冲击响应应力变化及损伤过程并将模拟结果与实验值进行了比较.研究结果表明:碳纤维复合材料简支梁低速冲击主要损伤模式为纤维断裂,通过增加(0,90)铺层能够提高接触力载荷与冲击韧性强度,通过在试样冲击表面铺设(±45)铺层能够缓解结构剧烈破坏.峰值载荷误差为5.1％,峰值位移误差为3.2％,证明了模型的有效性,为碳纤维复合材料保险杠提供了设计基础.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2016(033)007【总页数】7页(P815-821)【关键词】碳纤维复合材料;低速冲击;损伤分析;有限元仿真【作者】钭李昕;王秋成;陈光耀【作者单位】浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TH145.4;TB332碳纤维复合材料拥有较高的比强度与比刚度，是优质的轻量化材料，广泛应用于航天航空及汽车等行业。
但是复合材料结构在使用过程中会承受低能量冲击作用，造成损伤破坏。
为了保证耐冲击结构件在使用过程中具有良好的冲击韧性与吸能特点，利用低速冲击的方法探究其冲击特性及其破坏模式。
Tiberkak等[1]通过有限元分析方法研究了落锤低速冲击响应下的损伤预测。
结果显示，随着90°铺层的增加，接触力载荷会随之增加。
胡靖元[2]研究了纤维织物增强复合材料落锤低速冲击特性的试验研究，探究了其低速破坏模式与能量吸收机理。
高性能航空复合材料低速冲击损伤分析
高性能航空复合材料低速冲击损伤分析张文超;关志东;李思琪;谭日明【摘要】针对复合材料层合板冲击损伤模拟问题,基于各向异性材料连续介质损伤力学分析法,采用基于应变描述的失效判据来判断损伤,引入材料损伤状态变量对复合材料损伤情况进行描述;并考虑材料的剪切非线性,建立了复合材料层合板在低速冲击作用下的3D非线性连续损伤有限元模型.通过编写VUMAT材料用户子程序可以实现层内各类损伤的判断和演化.使用界面单元模拟层间区域,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律.为了更准确模拟试验中层合板的动态响应,有限元模型较为真实地反映了实际的试验条件.有限元模拟结果与试验结果吻合较好,证明了基于该方法建立的有限元模型的有效性.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)003【总页数】7页(P163-169)【关键词】复合材料;连续损伤;低速冲击;界面单元;有限元分析【作者】张文超;关志东;李思琪;谭日明【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】V257近年来，复合材料因其具有比强度和比刚度高、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀等许多优异特性，被广泛应用于各个领域，尤其是在航空航天领域。
然而，在生产、使用和维护过程中，复合材料结构不可避免地遭受来自冰雹、碎石、工具坠落等各种情况的冲击，此类低速冲击会造成不可恢复的层内损伤（如基体开裂、纤维断裂等）和层间分层。
这些损伤会显著降低复合材料结构的强度尤其是压缩强度，并影响结构的使用安全；特别是在遇到面外小能量冲击时，表面无明显损伤，但内部却出现分层。
因此，建立能够精确模拟复合材料结构低速冲击过程和准确预测可能出现损伤形式的模型是十分紧迫的。
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。
复合材料层合板低速冲击损伤容限的改进方法和影响因素.
]
F ig . 2Nor a of i nc i [7]
○:resin; ●:modified resin . F ig . 3I mpact damage resistance of CFRPs aga i n st i n ter -lam i ner fracture toughness of co mposite , G c C [8]
F ig . 5of i n str ips on delam i nation
area [15]
○:w ith interleaves ; ●:w ithout interleaves
.
F ig . 6The effect of i n terleaved adhesive layers on CA I
properties of co mposites [13]
○:w ith interleaves ; ●:w ithout interleaves .
究结果。因为层间断裂韧性的提高,所以层间插入条也能够减少炭纤维复合材料层合板等结构的冲击损伤面积,提高CA I值,从而改善复合材料的冲击性能以及损伤容限能力[14]。对断裂面的微观分析发现,插入层有效地控制了铺层内横向裂纹继续扩展,或转变成层间裂纹[9]。由于铺层内横向裂纹和层间分层的扩展受到插入物的阻碍,因此复合材料的冲击损伤形式也发生了变化。F ig . 5和F ig . 6是M aster等人[13, 14]所给出的层间插入对冲击损伤面积以及CA I值的影响,这些结果充分说明了该方法的有效
。
F ig . 7The effect of volu me fraction of polyethylene f ibers on
i m pact perfor mance of co mposite lam i nates [18]
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
复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型
地模 拟 了 复 合材 料 层 合 板 的 冲 击 损 伤 文 献
．
［
9
1
，
5
－
1
6
］
层 可 以 通 过层 内 基 体裂 纹 表 征 因 此 本 文 采 用 连 续
．
，
提 出 基 于 材 料 应 变 能 释 放 的 损 伤 线 性 软 化模 型 伤程 度 经 应变 控 制 通 过 引 入 单 元 特 征 长 度 在
，
试验 中 的 观 测 值
而 非 根据 冲 击 条 件 下 单层 板 的 实 基 于 冲 击载 荷 下 复 合 材 料 层 合板 的 损 伤 机 理 分
．
际 应 力 状 态 确 定 断 裂 面 角 度 针对材 料 损 伤 萌 生 后 的 析
，
本文 认为
：
（
1
）
复 合 材 料 基 体 裂纹 将 直 接 造 成 材
预测 了
．
不 同 冲 击 能 量 下 复 合 材 料 层 合 板 的 低速 冲 击 损 伤 响 应 参 数
，
试 验 结 果 证 明 了 连 续 介 质 损 伤 力 学 模 型 的 有 效性
一
模 型 在 不 同 网 格 密 度 下 的 计 算 结 果 表 明 单 元 特 征长 度 的 引 入 可 以 在
，
提出了
．
一
种 各 向 异 性 材 料连 续 介 质 损 伤 力 学 模 型
，
模 型涵 盖 损
，
伤表征
、
损伤 起 始 判定 和 损 伤 演 化 法 则
，
3
个 方 面 通 过 材 料 断 裂 面 坐 标 下 的 损 伤 状 态 变 量 矩 阵 完 成 损 伤表 征
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：本文对复合材料低速冲击损伤研究现状进行了探讨。
复合材料具有轻质高强、优异的力学性能，广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等工业领域。
然而在低速冲击作用下，复合材料易产生各种损伤和破坏，导致其强度和性能下降。
主要通过应用失效准则对复合材料面板损伤进行判断，最终确定了损伤材料性能对复合材料蜂窝夹芯板力学性能影响的机理。
综上，本文的研究为复合材料低速冲击损伤研究提供了新的思路和方法，也为工程实际中复合材料的设计和应用提供了指导。
关键词：复合材料；低速冲击损伤；研究现状引言：复合材料因具有轻质高强、优异的力学性能，而被广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等工业领域。
然而，在低速冲击作用下，复合材料易产生各种损伤和破坏，导致其强度和性能下降。
因此，对复合材料低速冲击损伤进行研究具有重要的应用和学术价值。
目前，国内外学者对于复合材料低速冲击损伤的研究已经取得了一定进展，但是，在低速冲击加载下，复合材料的损伤机理比较复杂，尚需深入研究。
此外，由于复合材料作为一种新型材料，其应用领域较为广泛，因此研究其低速冲击损伤机理对于其在工程实际中设计和应用具有重要意义。
一、复合材料冲击试验方法1.1试验方法分类复合材料冲击试验方法主要有：冲击测试法，拉伸测试法，压缩测试法和弯曲测试法。
冲击强度是一个用来衡量物质对撞击的抵抗能力，或判定物质的脆性与韧度的物理量[1]。
材料冲击性能测试属于动态力学测试，其吸波函数可以直接反映出材料的冲击韧度。
其中，冲击实验是一种很好的测试方法，可以用来测试材料在较低速度下的耐冲击性能。
由于其自身的结构特征，当前国内外对其耐低速撞击性能的研究主要有两种方式：一种是利用多个落锤对试样进行多次撞击，然后记录每次撞击的下坠过程；二是采用落锤式实验装置，对试样进行多次撞击，记录每次撞击的下落情况，以测试材料的低速撞击强度。
1.2试验拉伸强度公式在一定的气温、相对湿度和拉伸温度等情况下，可以要求给标准规格的哑钟形试样施以最大拉伸压力，当材料发生了被拉断的现象时，试样所受到的最大载荷P值和试样的最大横截面积（bd）之比，就是材料的最大拉伸强度：（1）因为在拉伸过程中，试样的宽度和厚度也在不断地改变中，而横截面积存有数值变化，故通常可通过试样初始的宽度来测算拉伸厚度。
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] 。
复合材料层压板低速冲击和准静态压痕损伤等效性的研究
复合材料层压板低速冲击和准静态压痕损伤等效性的研究闫丽;安学锋;蔡建丽;张代军;益小苏【摘要】Through the comparison of low-velocity impact testing and quasi-static indentation and testing, three kinds of relationship are obtained between the impact energy ( or the quasi-static indentation force) damage area and dent depth. An analysis of these relationships indicates clearly that the damage area and dent depth can be chosen as the damage parameters to set up the damage relationship between drop-weight impact and quasi-static indentation. When impact energy or quasi-static indentation force is reached at the some value, then,the knee point appears in the three kinds of relationship curves, and the knee-points of the two tests are very close and the variation tendency is identical, which indicates that quasi-static indentation tests may replace low-velocity impact tests. Under the lower impact energy ( before knee point ), quasi-static indentation force approximately is equal to the maximum force caused by impact process of corresponding impact energy. By analyzing the process of the two tests, the delamination onset load in the quasi-static indentation is lower than that in the low-velocity impact, but the tendency of the load variation is similar, which further indicates the damage equivalence of composite laminates subjected to low-velocity impact and quasi-static indentation tests.%通过对低速冲击试验和准静态压痕试验进行对比,获得了冲击能量(准静态压痕力)与层压板损伤面积、损伤宽度和凹坑深度的三组对应关系.分析表明,损伤面积、损伤宽度和凹坑深度均可作为损伤参数来建立低速冲击和准静态压痕损伤的等效性.当冲击能量或准静态压痕力达到一定值后,三组对应关系曲线上出现拐点,两类试验的拐点相差很小,且两类试验的变化趋势相同,初步说明了用准静态压痕试验替代低速冲击试验是可行的,同时在较低冲击能量(拐点值之前)下准静态压痕力近似等于相对应的冲击能量下冲击过程的最大接触力.对两类试验过程进行分析,准静态压痕试验的初始分层载荷较冲击试验稍低,但两类试验过程中载荷的变化趋势相同,进一步说明了低速冲击试验和准静态压痕试验损伤的等效性.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2011(031)003【总页数】5页(P71-75)【关键词】复合材料层压板;低速冲击;准静态压痕;损伤面积;损伤宽度;凹坑深度;等效性【作者】闫丽;安学锋;蔡建丽;张代军;益小苏【作者单位】北京航空材料研究院,先进复合材料重点实验室,北京,100095;北京航空材料研究院,先进复合材料重点实验室,北京,100095;北京航空材料研究院,先进复合材料重点实验室,北京,100095;北京航空材料研究院,先进复合材料重点实验室,北京,100095;北京航空材料研究院,先进复合材料重点实验室,北京,100095【正文语种】中文【中图分类】TB332随着纤维增强复合材料在航空航天结构日益广泛的应用,研究复合材料的损伤对其强度、刚度及疲劳寿命的影响愈来愈重要。
编织复合材料低速冲击响应与破坏模式分析
ｏ ｆ Ｗ ｏ ｖ ｅ ｎ Ｆａ ｂ ｒ ｉ ｃ Ｃｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ
Ｈｕ Ｊ ｉ ｎ ｇ ｙ ｕ ａ ｎ，Ｃｈ ｅ ｎ Ｌｉ ｙ ａ ｎ ｇ，Ｑｉ Ｆ ｅ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ ，Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｙｉ
（ Ｌｕ ｏ ｙ ａ ｎ ｇ Ｓ ｈ ｉ ｐ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ， Ｌｕ ｏ ｙ ａ ｎ ｇ ４ ７ １ ０ ０ ３ ，Ｈ ｅ ｎ ａ ｎ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ｖ ｏ １ ． ５ ３ Ｎ Ｏ ． ２
工程与试验 Ｅ ＮＧＩ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ ＮＧ ＆ 织 复 合材 料 低 速 冲 击 响应 与破 坏模 式 分 析
胡 靖元 ， 陈利 阳 ， 齐风华 ， 张 毅
（ 中 国船舶 重 工集 团公 司第七二 五研 究所 ， 河南 洛 阳 ４ ７ １ ０ ０ ３ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｆａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｗ ｖ ｅ ｌ ｏｃ ｉ ｔ ｙ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎｓ ｅ ｓ ｏ ｆ ｃ ａ ｒ ｂｏ ｎ ｗｏ ｖ ｅ ｎ ｆ ａ ｂｒ ｉ ｃ ｃ ｏ ｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ａ ｎｄ ａ ｒ ａ ｍｉ ｄ ｗｏｖ ｅ ｎ ｆ ａ ｂ ｒ ｉ ｃ ｃ ｏｍｐ ｏｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｉ ｎｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ．Ｉ ｎｆ ｌ ｕｅ ｎｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｉ ｍｐａ ｃ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｏ ｎ ｗｏ ｖｅ ｎ ｆ ａ ｂ ｒ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ— ｒ ｐ ｏｓ ｉ ｔ ｅ ｕ ｎｄ ｅ ｒ ｌ ｏｗ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｉ ｍｐａ ｃ ｔ ａ ｒ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ．Ｅｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ — ｕｒ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｓ ｏ ｆ ｃ ａ ｒ ｂ ｏｎ ｗｏ ｖｅ ｎ ｆ ａ ｂｒ ｉ ｃ ｃ ｏ ｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｂｒ ｉ ｔ ｔ ｌ ｅ ｒ ｕｐ ｔ ｕｒ ｅ ｗｈｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｄ ｏ ｍｉ ｎａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ｆ ｒ ａ ｃ — ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｏｌ ｌ ｏ ｗｉ ｎ ｇ ｍａ ｔ ｒ ｉ ｘ ｃ ｒ ａ ｃ ｋｉ ｎ ｇ ａ ｌ ｏ ｎｇ ｔ ｈｅ ｄｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏｆ ｆ ｉ ｂｅ ｒ ｗｅ ａ ｖ ｉ ｎ ｇ． Ｔｈｅ ｐｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ ｄａ ｍａ ｇ ｅ ａ ｒ ｅ ａ ｉ ｓ ｒ ｏｕ ｎｄ ． Ａｒ ａ ｍｉ ｄ ｗｏｖ ｅ ｎ ｆ ａ ｂ ｒ ｉ ｃ ｃ ｏ ｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ｏｂ ｖｉ ｏｕ ｓ ｌ ｙ ｓ ｈｏ ｗ ａ ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｄ ａ ｍａ ｇ ｅ ａ ｒ ｅ ａ ｗｈｉ ｃ ｈ ｍａ ｋｅ ｓ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｏｎ ａ ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ．Ｔｈ ｉ ｓ ｄ ａ ｍａ ｇ ｅ ａ ｒ ｅ ａ ｈ ａ ｓ ｔ ｅ ｎｓ ｉ ｏ ｎ ｆ ａ ｉ ｌ ｕｒ ｅ ａ ｎｄ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ｆ ｉ ｂ ｒ ｉ ｌ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏｆ ｆ ｉ ｂｅ ｒ ．Ｉ ｍ— ｐａ ｃ ｔ ｐｒ ｏｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｗｏ ｖ ｅ ｎ ｆ ａ ｂｒ ｉ ｃ ｃ ｏ ｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ａ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｒ ａ ｔ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ，ａ ｎ ｄ ａ ｒ ａ ｍｉ ｄ ｆ ｉ ｂｅ ｒ ｆ ａ ｂｒ ｉ ｃ ｃ ｏｍ— ｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｉ ｓ ｎｏ ｔ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ ｔ ｏ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｒ ａ ｔ ｅ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｗｏｖ ｅ ｎ ｆ ａ ｂｒ ｉ ｃ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ；ｌ ｏ ｗ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ；ｒ ｅ ｓ ｐｏ ｎｓ ｅ；ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｍｏｄ ｅ
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。
编织复合材料低速冲击响应与破坏模式分析
编织复合材料低速冲击响应与破坏模式分析胡靖元;陈利阳;齐风华;张毅【摘要】以碳纤维编织复合材料和芳纶编织复合材料为研究对象,研究了编织复合材料的低速冲击响应和破坏模式,分析了冲击速度对材料冲击特性的影响.试验结果表明:碳纤维编织复合材料为脆性断裂,以纤维剪切断裂为主,伴随基体沿纤维编织方向开裂,并与纤维脱粘；芳纶编织复合材料的破坏模式以纤维拉伸断裂为主,基体沿着以应力集中处为中心的十字形方向开裂,纤维出现原纤化；碳纤维编织复合材料冲击响应与加载速度相关,芳纶纤维编织复合材料则对加载速度不敏感.【期刊名称】《工程与试验》【年(卷),期】2013(053)002【总页数】5页(P8-11,81)【关键词】编织复合材料;低速冲击;响应;破坏模式【作者】胡靖元;陈利阳;齐风华;张毅【作者单位】中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南洛阳471003;中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南洛阳471003;中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南洛阳471003;中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南洛阳471003【正文语种】中文【中图分类】TB3321 引言编织复合材料是一种性能优异的新型结构复合材料，在构造上克服了传统复合材料层合板易分层、厚度方向强度低等缺点，具有较好的稳定性和对复杂外形的适应性，广泛应用于航空航天、交通运输和船舶工业等领域中。
空间展开结构是航天科技发展开拓的一个崭新领域，采用高比刚度、高比强度和高几何稳定性的材料制作而成。
充气支撑结构是最基本的展开结构形式，由柔性编织复合材料制作而成。
应用中通过充气膨胀，由折叠状态逐渐展开并固化，形成具有较高刚度的稳定工作结构和所要求的空间形状，作为有效的支撑结构系，可用于支撑管、支承太阳帆、太空望远镜、减速系统、天线等［1－2］。
充气结构在材料固化后，有受到外来物冲击的可能。
其中，低速冲击造成的损伤往往在受冲击表面很难觉察，目视不可检，而内部和冲击内表面损伤严重。
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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。
损伤分类
宏观（变形状态）： 弹性损伤 弹塑性损伤 蠕变损伤 疲劳损伤 微观（损伤形式）： 微裂纹损伤（micro-crack） 微孔洞损伤（micro-void） 剪切带损伤（shear bond） 界面（interface）
损伤力学旨在建立受损材料的本构关系、 解释材料的破坏机理、建立损伤的演变 方程、计算构件的损伤程度、从而达到 预估其剩余寿命的目的。
实验设备
对于复合材料层合板来说，主要是 通过弹塑性变形和损伤来吸收冲击动能， 而损伤失效模式主要表征为穿透、侵入、 基体开裂、基体挤压、纤维断裂和分层 等。 设置两个冲击能量，大小分别为50J 和100J。当冲击能量为50J时，复合材料 呈现为侵入损伤模式; 当冲击能量为100J 时，复合材料呈现为穿透损伤模式。
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。
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。