复合材料层板冲击损伤特性及冲击后压缩强度研究
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第 ３ 卷 第 １ １ 期
２１ ０ １年 ２月
航
空
材
料
学
报
Ｖｏ． １３Ｉ，Ｎｏ ．Ｉ
Ｆ ｂ ｕａ ｙ ２ ｅ ｒ ｒ ０１ １
Ｊ ＲＮＡＬ Ｏ ＲＯＮＡ Ｉ ＡＬ ＭＡＴ ＲＩ Ｓ ＯＵ Ｆ ＡＥ ＵＴ Ｃ Ｅ ＡＬ
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 ） Ｃ Ｉ 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
１ １ 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 ２ ０ １ ） 南 南 １ ０ ６
摘 要 ： 两 种材 料 体 系 （ ３０ Ｑ ８ １ 对 Ｔ ０ ／ Ｙ ９ １和 ＂０ ／ ４ ５ ／ 层 的 复 合 材 料 层 板 进 行 三 种 支持 条 件 （ １ ０ ５０ ） 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
垂 直 ， 过调整 落锤 的下 落 高 度来 控 制 冲击能 量 和 通 速 率 。试 件 夹 持 在 两 钢 板 之 间 ， 击 部 分 为 一 冲
１０ ｍ×８ ｒ 的 长 方形 区域 ， 有 的试 件 均 保 证 ３ｒ ａ ０ ｍ ａ 所
不 发 生 二 次 冲击 。
１ ２ 冲 击 损 伤 试 验 件 ．
目前 ， 合 材 料层 板 Ｃ Ｉ 试 验 方法 很 多 ， 复 Ａ 的 迄
今为止 ， 未 形 成 统 一 的 国 际标 准 （ Ａ Ｔ ＩＯ 仍 如 Ｓ Ｍ，Ｓ 等 ） 目前 常用 的 标 准 有 Ｎ Ｓ ¨ ， Ａ ＭＡ ２ Ｂ ｅ 。 Ａ Ａ Ｓ Ｃ 【 ／ ｏ． ｉｇ ， Ｒ Ｇ ， ＭＷ ， Ｔ 等 。损 伤 主要 以落 ｎ Ｃ Ａ Ｑ ＵＫ
பைடு நூலகம்
由于低速 冲击损 伤大 大削弱 一般复 合材料 层合 结构 的承压 能力 ， 速 冲 击后 层 合 板 的损 伤特 性 以 低 及其 压缩性能 是复合 材料结 构损 伤容 限设 计必 须考
虑 的 严 重 情 况 之 一 ， 至 可 以 用 来 对 纤 维 增 强 树 脂 甚
试验研 究 ， 讨论 了冲击能 量 、 支持条 件等与 冲击损伤
锤低 速冲击造 成 ， 在剩 余强度 试验 时 ， 避免结 构 的整
体失稳 。
本工 作参 照 Ｎ Ｓ 标准 和航 空 标 准 （ Ｂ ＡＡ Ｈ
６ ３ － １ ９ ） 选 取 两 个 结 构 部 件 上 两 种 典 型 铺 ７９ ９３ ，
参 照 Ｈ ７ ９ １９ …碳纤维 复合材料 层 合板 冲击 Ｂ６ ３ － ９ ３
用 于 表征 复 合 材 料 冲 击损 伤 ， 基体 裂纹 长 度 不 可 以用 于 表 征 冲击 损 伤 。 且 随 着 冲击 点 背 面 支 持 刚 度 的 增 加 ， 而 冲
击 所造 成 的损 伤 随 之 减 小 。 随着 冲击 能 量 的增 加 ， 冲击 后 压 缩 强 度 随 之 减 小 。在 相 同 的 冲 击 能 量 作 用下 ， 着 冲 随 击 点 背 面 支持 刚 度 的 增 加 ， 击 后 压 缩强 度 也 随之 增 加 。 冲 关 键 词 ： 合 材料 层 板 ， 复 冲击 损 伤 ， 冲击 损 伤 特 性 ， 余 压 缩 强 度 剩
Ｄ０Ｉ １ ． ９ ９ ｊ ｉｓ． ０ ５ ５ ５ ． ０ １ １ ０ ４ ：０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ —０ ３ ２ １ ． ． １
中 图 分 类号 ： Ｂ ３ Ｔ ３２
文献标识码 ： Ａ
文 章编 号 ：１０ － ５ （０ １ ０ －０３０ ０ ５５ ３ ２ １ ） １ ７ —８ ０ ０
子 、 胎碎 片的撞击 ， 中飞行时 冰雹的撞击 等引起 轮 空 的损 伤。 由于 自由落体式 冲击可 以较 好地再 现上述
低能量 冲击 ， 试验设 备及操 作相对 简单 ， 且 本试 验采
用 自由落体式 冲击装 置对 复合 材料层 合板进行 冲击
损伤预 制 。
冲 击 试 验 装 置 和 试 验 件 支 持 装 置 如 图 １所 示 。
梁凸缘 或长桁 凸缘 支持 ） 六 种损 伤 能级 共 计 ２ 、 ０组 ８ ０件试 验件 进 行 冲击 损 伤 特性 及 其 压 缩剩 余 强度
收 稿 日期 ； ０ ００ ．０ 修 订 Ｅ 期 ： ０ ００ ．８ ２１－ ２ ； ２ ｔ ２ １ －８ １ 基金项 目： 国家 自然 科 学基 金 （ ０ ７ ０ ５ ； 京 航 空 航 天 大 １６２ ７ ） 南
后压缩试 验方法 ， 落锤 的 质量 为 ５ ｇ 具 有一 个直 径 ｋ， 为 １ ． ｍ 的钢质 半球 形 冲 头 ， ２５ ｍ 冲头 轴 线 与板 平 面
层 （ Ｃ） 两 种 材 料 体 系 （ ３ ０ Ｑ ８ １ 、 ３ ０ Ａ、 、 Ｔ０／ Ｙ ９ １ Ｔ ０／ ５ ０ ） 三 种支 持形 式 （ ４５ 、 冲击 点 四周悬 空 、 有肋 凸缘 、
２１ ０ １年 ２月
航
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Ｖｏ． １３Ｉ，Ｎｏ ．Ｉ
Ｆ ｂ ｕａ ｙ ２ ｅ ｒ ｒ ０１ １
Ｊ ＲＮＡＬ Ｏ ＲＯＮＡ Ｉ ＡＬ ＭＡＴ ＲＩ Ｓ ＯＵ Ｆ ＡＥ ＵＴ Ｃ Ｅ ＡＬ
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 ） Ｃ Ｉ 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
１ １ 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 ２ ０ １ ） 南 南 １ ０ ６
摘 要 ： 两 种材 料 体 系 （ ３０ Ｑ ８ １ 对 Ｔ ０ ／ Ｙ ９ １和 ＂０ ／ ４ ５ ／ 层 的 复 合 材 料 层 板 进 行 三 种 支持 条 件 （ １ ０ ５０ ） 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
垂 直 ， 过调整 落锤 的下 落 高 度来 控 制 冲击能 量 和 通 速 率 。试 件 夹 持 在 两 钢 板 之 间 ， 击 部 分 为 一 冲
１０ ｍ×８ ｒ 的 长 方形 区域 ， 有 的试 件 均 保 证 ３ｒ ａ ０ ｍ ａ 所
不 发 生 二 次 冲击 。
１ ２ 冲 击 损 伤 试 验 件 ．
目前 ， 合 材 料层 板 Ｃ Ｉ 试 验 方法 很 多 ， 复 Ａ 的 迄
今为止 ， 未 形 成 统 一 的 国 际标 准 （ Ａ Ｔ ＩＯ 仍 如 Ｓ Ｍ，Ｓ 等 ） 目前 常用 的 标 准 有 Ｎ Ｓ ¨ ， Ａ ＭＡ ２ Ｂ ｅ 。 Ａ Ａ Ｓ Ｃ 【 ／ ｏ． ｉｇ ， Ｒ Ｇ ， ＭＷ ， Ｔ 等 。损 伤 主要 以落 ｎ Ｃ Ａ Ｑ ＵＫ
பைடு நூலகம்
由于低速 冲击损 伤大 大削弱 一般复 合材料 层合 结构 的承压 能力 ， 速 冲 击后 层 合 板 的损 伤特 性 以 低 及其 压缩性能 是复合 材料结 构损 伤容 限设 计必 须考
虑 的 严 重 情 况 之 一 ， 至 可 以 用 来 对 纤 维 增 强 树 脂 甚
试验研 究 ， 讨论 了冲击能 量 、 支持条 件等与 冲击损伤
锤低 速冲击造 成 ， 在剩 余强度 试验 时 ， 避免结 构 的整
体失稳 。
本工 作参 照 Ｎ Ｓ 标准 和航 空 标 准 （ Ｂ ＡＡ Ｈ
６ ３ － １ ９ ） 选 取 两 个 结 构 部 件 上 两 种 典 型 铺 ７９ ９３ ，
参 照 Ｈ ７ ９ １９ …碳纤维 复合材料 层 合板 冲击 Ｂ６ ３ － ９ ３
用 于 表征 复 合 材 料 冲 击损 伤 ， 基体 裂纹 长 度 不 可 以用 于 表 征 冲击 损 伤 。 且 随 着 冲击 点 背 面 支 持 刚 度 的 增 加 ， 而 冲
击 所造 成 的损 伤 随 之 减 小 。 随着 冲击 能 量 的增 加 ， 冲击 后 压 缩 强 度 随 之 减 小 。在 相 同 的 冲 击 能 量 作 用下 ， 着 冲 随 击 点 背 面 支持 刚 度 的 增 加 ， 击 后 压 缩强 度 也 随之 增 加 。 冲 关 键 词 ： 合 材料 层 板 ， 复 冲击 损 伤 ， 冲击 损 伤 特 性 ， 余 压 缩 强 度 剩
Ｄ０Ｉ １ ． ９ ９ ｊ ｉｓ． ０ ５ ５ ５ ． ０ １ １ ０ ４ ：０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ —０ ３ ２ １ ． ． １
中 图 分 类号 ： Ｂ ３ Ｔ ３２
文献标识码 ： Ａ
文 章编 号 ：１０ － ５ （０ １ ０ －０３０ ０ ５５ ３ ２ １ ） １ ７ —８ ０ ０
子 、 胎碎 片的撞击 ， 中飞行时 冰雹的撞击 等引起 轮 空 的损 伤。 由于 自由落体式 冲击可 以较 好地再 现上述
低能量 冲击 ， 试验设 备及操 作相对 简单 ， 且 本试 验采
用 自由落体式 冲击装 置对 复合 材料层 合板进行 冲击
损伤预 制 。
冲 击 试 验 装 置 和 试 验 件 支 持 装 置 如 图 １所 示 。
梁凸缘 或长桁 凸缘 支持 ） 六 种损 伤 能级 共 计 ２ 、 ０组 ８ ０件试 验件 进 行 冲击 损 伤 特性 及 其 压 缩剩 余 强度
收 稿 日期 ； ０ ００ ．０ 修 订 Ｅ 期 ： ０ ００ ．８ ２１－ ２ ； ２ ｔ ２ １ －８ １ 基金项 目： 国家 自然 科 学基 金 （ ０ ７ ０ ５ ； 京 航 空 航 天 大 １６２ ７ ） 南
后压缩试 验方法 ， 落锤 的 质量 为 ５ ｇ 具 有一 个直 径 ｋ， 为 １ ． ｍ 的钢质 半球 形 冲 头 ， ２５ ｍ 冲头 轴 线 与板 平 面
层 （ Ｃ） 两 种 材 料 体 系 （ ３ ０ Ｑ ８ １ 、 ３ ０ Ａ、 、 Ｔ０／ Ｙ ９ １ Ｔ ０／ ５ ０ ） 三 种支 持形 式 （ ４５ 、 冲击 点 四周悬 空 、 有肋 凸缘 、