复合材料的冲击、损伤容限和吸能-12
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A 0 : 试样初始截面积 l 0 : 试样初始长度
损伤容限
损伤容限：是指材料在经受冲击后，具有的 残余强度或刚度。
实验方法：经受撞击或冲击后的试件进行再 压缩测量从而求得其是否具有足够的强度 或刚度。
在压缩载荷下金属铝泡沫
纤维增强复合材料层合结构 在冲击载荷下的层间开裂
开口泡沫铝材料的动态压缩试验可看出，该种材料具 有良好的吸能特征，可用于耐撞性材料。
复合材料的冲击、损伤容限和吸能
冲击实验的意义
• 冲击试验是用来衡量复合材料在经受高速 冲击状态下的韧件或对断裂的抵抗能力的 试验方法。
• 对于研究各向异性复合材料在经受冲击载 荷时的力学行为有一定的实际意义。
• 对于车辆、航天器等运动着结构来讲，除 了满足自身结构强度等要求外，要求必须 具有一定的“耐撞性”。
利用有限元软件，进行计算的过程
研究结果表面：在冲头上升前损伤面 积最大，并发现层合复合材料的损伤 面积与撞击能有很好的线性关系。
需要确定如下物理量；
• 冲击载荷输入历程和大小； • 结构载荷响应历程、大小和分布； • 结构位移响应历程、大小和分布； • 测量的应变率响应特点
Hopkinson Pressure Bar
飞机上的缓冲吸能部件（结构）
各类吸能结构
各类吸能结构
各类吸能结构
各类吸能结构
各种缓冲结构的吸能比较
Hopkinson法冲击实验原理
如其核心部分是两段分离的弹性压杆: 输入和输出杆。
子弹以一定的速度撞击输入杆,在其中产生一入射脉冲 i ,
试样在该应力脉冲作用下被高速压缩变形,同时向输出杆传播
一透射波 t 和向输入杆返回一反射波 r 。
根据SHPB 实验 的一维假定和均 匀性假定,利用一 维应力波理论可 得试样的应变率εt (t) 、应变ε( t) 以 及应力σ( t) :
• 但在吸能方面，复合材料结构与与金属结构具有不同的性 能机理，金属结构主要依靠塑性变形来吸收能量，而复合 材料则通过多种形式的细观破坏耗散能量。
如： • 如纤维和基体的开裂 • 层间裂纹及开裂 • 纤维拔出 • 局部扭曲 •等
由于复合材料在撞击 断裂准则： 过程中是以损伤的积 累形式破坏的，因此， 到目前还没有一个包 含所有的破坏模式的 预报模型及破坏准则 对其吸能特性和剩余 强度或刚度进行有效 预报。
通过可控制地 将落锤从一定 高度落下获得 冲击动能，并 通过信号和数 据采集装置记 录实验结果。
落锤式实验的特点
优点： 这类冲击体系的结构简单，操作 方 便，成本较低，适用领域广；
缺点： 冲击速度可选范围小，由于靠重力驱 动，实验受惯性力的影响较大。如果 想把某种材料与其它材料进行比较， 或者需改变重球质量，或者改变落下 高度，十分不方便。
这样只要测量到 i 、t 和r 中的任意两个波形
就可利用下式计算出试样的应力－应变关系及应变速 率的大小。通过调整子弹的撞击速度来改变试样应变 率的大小。
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E : 压杆的弹性模量 C : 压杆的波速 A : 压杆的截面积
主要的研究方法只能 依靠有限元数值计算 进行预报；
设计和应用复合材料结构的吸能元件时应满足的要求
1. 在撞击事件中必须吸收绝大部分的能量 －缓冲件特性研究所关心的主要问题之一就是如何有效 地、尽可能多地吸收大部分撞击能量，可通过结构和材 料参数进行设计。
2. 碰撞能量的吸收以可控的方式进行。 －即复合材料吸能结构在各种撞击条件下都有比较稳定 的破坏模式和能量吸收，在碰撞过程中均匀地耗散能量。
试验证明，对同一跨度的试样越厚消 耗在碎片抛出的能量越大。不同尺寸 试样的试验结果不好相互比较。但由 于摆锤式试验法简单方便，所以在材 料质量控制、筛选等方面使用较多。
落锤式实验的特点
• 落球式冲击试验是把球、标准的重 锤或投掷枪由已知高度落在试棒或 试片上，测定使试棒或试片刚刚够 破裂所需能量的一种方法。
落球试验数值模拟图
针对落锤实验应用运动物理学可导出如下理论方程：
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Hopkinson压杆实验
适用于尺寸较小的试件在高应变率下的压缩实验。一般来说， 输入杆和测量杆的长度应该足够长，以确保在试件发生破坏 前压杆远端的反射波没有到达试件；试件的尺寸要足够小， 使得弹塑性波在试件中的传播时间与结构屈曲响应时间比很 小，压缩应力在试件中均匀分布。
耐撞性（Crashworthiness）
－对运动的（载人、载物） 结构，在发生碰撞事故或 特定的冲击事件时能够吸 收冲击能量并保护成员及 贵重物品安全的能力。
- 要求: 能够在突发或特定 的碰撞事件中，依靠自身 结构或附件装置的屈曲、 断裂等破坏形式来减缓碰 撞时的冲击载荷，耗散冲 击能量。
冲击实验的方法
(1) 在冲击加载条件下开孔泡沫铝的应力- 应 变曲线与静态加载相似,具有三阶层变形 的特征,即弹性段、屈服平台段和压实段;但 与静态压缩曲线不同的是,动态压缩曲线上 平台段开始时有一应力回落的波动现象。
(2) 开孔泡沫铝具有明显的应变率效应,随应
变率的提高,相同应变下的泡沫铝的流动应
力上升、平台段的斜率增加, 即流动应力随
应变的增大而上升的速度加快、平台段变短。
(3) 随着应变率的提高,尽管平台区变短,但由
于应力升高,泡沫铝的吸能性上升,而对应的
最大应力也较高。
不同应变率下泡沫铝的应力- 应变曲线
纤维增强复合材料层合板的低能冲击损伤及剩余强度
• 复合材料具有高强、高刚及可设计性的优点，现已广泛地 用于航天航空、建筑及交通等领域。
主要可分为如下几种： • 摆锤式冲击试验(包括简支梁型和悬臂梁型) • 落锤式冲击试验 • 弹射式实验装置 • Hopkinson压杆实验装置 • 简支梁型冲击试验是摆锤打击简支梁试样的中央； • 悬臂梁法则是用摆锤打击有缺口的悬臂梁试样的
自由端。
摆锤式实验的特点
摆锤式冲击试验试样破坏所需的能量实际 上无法测定。 试验所测得的除了产生裂缝所需的能量及 使裂缝扩展到整个试样所需的能量以外， 还要加上使材料发生永久变形的能量和把 断裂的试样碎片抛出去的能量。把断裂试 样碎片抛出的能量与材料的韧性完全无关， 但它却占据了所测总能量中的一部分。
损伤容限
损伤容限：是指材料在经受冲击后，具有的 残余强度或刚度。
实验方法：经受撞击或冲击后的试件进行再 压缩测量从而求得其是否具有足够的强度 或刚度。
在压缩载荷下金属铝泡沫
纤维增强复合材料层合结构 在冲击载荷下的层间开裂
开口泡沫铝材料的动态压缩试验可看出，该种材料具 有良好的吸能特征，可用于耐撞性材料。
复合材料的冲击、损伤容限和吸能
冲击实验的意义
• 冲击试验是用来衡量复合材料在经受高速 冲击状态下的韧件或对断裂的抵抗能力的 试验方法。
• 对于研究各向异性复合材料在经受冲击载 荷时的力学行为有一定的实际意义。
• 对于车辆、航天器等运动着结构来讲，除 了满足自身结构强度等要求外，要求必须 具有一定的“耐撞性”。
利用有限元软件，进行计算的过程
研究结果表面：在冲头上升前损伤面 积最大，并发现层合复合材料的损伤 面积与撞击能有很好的线性关系。
需要确定如下物理量；
• 冲击载荷输入历程和大小； • 结构载荷响应历程、大小和分布； • 结构位移响应历程、大小和分布； • 测量的应变率响应特点
Hopkinson Pressure Bar
飞机上的缓冲吸能部件（结构）
各类吸能结构
各类吸能结构
各类吸能结构
各类吸能结构
各种缓冲结构的吸能比较
Hopkinson法冲击实验原理
如其核心部分是两段分离的弹性压杆: 输入和输出杆。
子弹以一定的速度撞击输入杆,在其中产生一入射脉冲 i ,
试样在该应力脉冲作用下被高速压缩变形,同时向输出杆传播
一透射波 t 和向输入杆返回一反射波 r 。
根据SHPB 实验 的一维假定和均 匀性假定,利用一 维应力波理论可 得试样的应变率εt (t) 、应变ε( t) 以 及应力σ( t) :
• 但在吸能方面，复合材料结构与与金属结构具有不同的性 能机理，金属结构主要依靠塑性变形来吸收能量，而复合 材料则通过多种形式的细观破坏耗散能量。
如： • 如纤维和基体的开裂 • 层间裂纹及开裂 • 纤维拔出 • 局部扭曲 •等
由于复合材料在撞击 断裂准则： 过程中是以损伤的积 累形式破坏的，因此， 到目前还没有一个包 含所有的破坏模式的 预报模型及破坏准则 对其吸能特性和剩余 强度或刚度进行有效 预报。
通过可控制地 将落锤从一定 高度落下获得 冲击动能，并 通过信号和数 据采集装置记 录实验结果。
落锤式实验的特点
优点： 这类冲击体系的结构简单，操作 方 便，成本较低，适用领域广；
缺点： 冲击速度可选范围小，由于靠重力驱 动，实验受惯性力的影响较大。如果 想把某种材料与其它材料进行比较， 或者需改变重球质量，或者改变落下 高度，十分不方便。
这样只要测量到 i 、t 和r 中的任意两个波形
就可利用下式计算出试样的应力－应变关系及应变速 率的大小。通过调整子弹的撞击速度来改变试样应变 率的大小。
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E : 压杆的弹性模量 C : 压杆的波速 A : 压杆的截面积
主要的研究方法只能 依靠有限元数值计算 进行预报；
设计和应用复合材料结构的吸能元件时应满足的要求
1. 在撞击事件中必须吸收绝大部分的能量 －缓冲件特性研究所关心的主要问题之一就是如何有效 地、尽可能多地吸收大部分撞击能量，可通过结构和材 料参数进行设计。
2. 碰撞能量的吸收以可控的方式进行。 －即复合材料吸能结构在各种撞击条件下都有比较稳定 的破坏模式和能量吸收，在碰撞过程中均匀地耗散能量。
试验证明，对同一跨度的试样越厚消 耗在碎片抛出的能量越大。不同尺寸 试样的试验结果不好相互比较。但由 于摆锤式试验法简单方便，所以在材 料质量控制、筛选等方面使用较多。
落锤式实验的特点
• 落球式冲击试验是把球、标准的重 锤或投掷枪由已知高度落在试棒或 试片上，测定使试棒或试片刚刚够 破裂所需能量的一种方法。
落球试验数值模拟图
针对落锤实验应用运动物理学可导出如下理论方程：
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Hopkinson压杆实验
适用于尺寸较小的试件在高应变率下的压缩实验。一般来说， 输入杆和测量杆的长度应该足够长，以确保在试件发生破坏 前压杆远端的反射波没有到达试件；试件的尺寸要足够小， 使得弹塑性波在试件中的传播时间与结构屈曲响应时间比很 小，压缩应力在试件中均匀分布。
耐撞性（Crashworthiness）
－对运动的（载人、载物） 结构，在发生碰撞事故或 特定的冲击事件时能够吸 收冲击能量并保护成员及 贵重物品安全的能力。
- 要求: 能够在突发或特定 的碰撞事件中，依靠自身 结构或附件装置的屈曲、 断裂等破坏形式来减缓碰 撞时的冲击载荷，耗散冲 击能量。
冲击实验的方法
(1) 在冲击加载条件下开孔泡沫铝的应力- 应 变曲线与静态加载相似,具有三阶层变形 的特征,即弹性段、屈服平台段和压实段;但 与静态压缩曲线不同的是,动态压缩曲线上 平台段开始时有一应力回落的波动现象。
(2) 开孔泡沫铝具有明显的应变率效应,随应
变率的提高,相同应变下的泡沫铝的流动应
力上升、平台段的斜率增加, 即流动应力随
应变的增大而上升的速度加快、平台段变短。
(3) 随着应变率的提高,尽管平台区变短,但由
于应力升高,泡沫铝的吸能性上升,而对应的
最大应力也较高。
不同应变率下泡沫铝的应力- 应变曲线
纤维增强复合材料层合板的低能冲击损伤及剩余强度
• 复合材料具有高强、高刚及可设计性的优点，现已广泛地 用于航天航空、建筑及交通等领域。
主要可分为如下几种： • 摆锤式冲击试验(包括简支梁型和悬臂梁型) • 落锤式冲击试验 • 弹射式实验装置 • Hopkinson压杆实验装置 • 简支梁型冲击试验是摆锤打击简支梁试样的中央； • 悬臂梁法则是用摆锤打击有缺口的悬臂梁试样的
自由端。
摆锤式实验的特点
摆锤式冲击试验试样破坏所需的能量实际 上无法测定。 试验所测得的除了产生裂缝所需的能量及 使裂缝扩展到整个试样所需的能量以外， 还要加上使材料发生永久变形的能量和把 断裂的试样碎片抛出去的能量。把断裂试 样碎片抛出的能量与材料的韧性完全无关， 但它却占据了所测总能量中的一部分。