炭纤维增强树脂基复合材料层合板低速冲击性能实验研究

对 3种炭纤维增强树脂基复合材料( T300/ N Y9200Z、T300/ Q Y8911和 T700S/ 5228)层合板进行了落锤冲击实验 , 并对冲击后试样进行了冲击后压缩性能测试。通过对凹坑深度2单位厚度冲击能量( d 2e)曲线 , 损伤面积2凹坑深度( S2d)曲线和冲击后压缩破坏应变2凹坑深度(ε 2d)曲线的对比分析 , 讨论了这 3 种复合材料层合板的低速冲击性能(即损伤阻抗和损伤容限) 。利用热揭层技术对拐点前后的复合材料损伤状态进行了观察 , 对损伤机制进行了讨论。实验结果表明 , 在 3种材料的 d 2e曲线 , S2d曲线和ε 2d曲线上均存在对应的拐点 , 该拐点同时也是不同损伤形式的转变点。凹坑深度在小于拐点时 , 损伤形式以基体裂纹和分层损伤为主 , 凹坑深度大于拐点时 , 分层损伤基本不再扩展 , 损伤的发展主要以纤维断裂的扩展为主。     

三维复合材料层合板渐进损伤非线性分析模型

为有效反映复合材料层合板层间相互作用和材料损伤非线性,建立了中等尺度的三维复合材料层合板渐进损伤分析模型。非线性渐进损伤分析过程包括应力求解、材料损伤失效判据及材料性能退化方案3个方面。讨论了损伤材料性能退化方案,引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料点的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。基于该模型可成功预测复合材料层合板损伤起始、扩展直至最终失效的整个过程和极限强度。经文献试验数据验证,12种不同铺层顺序层合板的计算强度与试验数据均吻合较好,表明该模型在复合材料层合板极限强度预测上的有效性。     

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

z-pin增韧复合材料层合板低速冲击损伤过程研究

从z-pin增韧复合材料层合板低速冲击实验出发,考虑了复合材料层合板在受低速冲击时的分层及基体开裂等四种损伤形式,引入适当的损伤判据,对T300/3234碳纤维树脂基复合材料层合板的低速冲击损伤过程进行有限元模拟。结果表明,采用碳纤维钉z-pin增韧使得冲击后层间分层区域面积减小50%左右,有限元结果与实验数据吻合。     

一种改进的内聚力损伤模型在复合材料层合板低速冲击损伤模拟中的应用

针对传统内聚力损伤模型(CZM)无法考虑层内裂纹对界面分层影响的缺点,提出了一种改进的适用于复合材料层合板低速冲击损伤模拟的CZM。通过对界面单元内聚力本构模型中的损伤起始准则进行修正,考虑了界面层相邻铺层内基体、纤维的损伤状态及应力分布对层间强度和分层扩展的影响。基于ABAQUS用户子程序VUMAT,结合本文模型及层合板失效判据,建立了模拟复合材料层合板在低速冲击作用下的渐进损伤过程的有限元模型,计算了不同铺层角度和材料属性的层合板在低速冲击作用下的损伤状态。通过数值模拟与试验结果的对比,验证了本文方法的精度及合理性。     

考虑面内载荷的复合材料层合板冲击性能

考虑面内初始载荷作用,开展复合材料层合板高速冲击响应与损伤特性研究。设计一种面内拉伸/压缩/剪切初始载荷施加装置,结合气炮试验装置,提出一种初始载荷复合材料高速冲击试验方法,针对X850/IM+和M21C/IMA两种牌号复合材料层合板开展高速冲击试验。结果表明:面内初始载荷对复合材料层合板高速冲击响应和损伤特性有显著影响;相比无初始载荷冲击情况,面内拉伸载荷作用提高了结构抗弯刚度,使冲击剩余速度提高,穿透速度降低,分层损伤面积减小;而面内压缩载荷则反之。      

复合材料层压板抗冲击行为及表征方法的实验研究

对14种复合材料体系约800个试样进行了冲击阻抗和含损伤层压板压缩强度试验研究,研究发现对于同一种复合材料层压板的冲击能量-凹坑深度曲线和凹坑深度-压缩破坏应变曲线均存在拐点,在出现拐点后内部的分层损伤叠加面积基本不再增加,压缩剩余强度基本不再降低,表面冲击部位开始出现纤维断裂。研究表明,采用传统CAI来表征损伤容限性能的方法可能得到与实际结构损伤容限特性相反的结论。因此,提出了利用拐点附近特性来表征复合材料层压板的抗冲击行为（包括损伤阻抗和损伤容限）的建议,即分别采用QSI方法得到的准各向同性层压板的最大接触力F_max和压缩破坏强度（应变）的门槛值CAIT来表征复合材料层压板的损伤阻抗和损伤容限行为。      

纤维增强层合板低能冲击损伤机理分析

针对复合材料低能冲击损伤机理研究不足的现状,应用复合材料层合板三维逐渐累积冲击损伤预测方法,对3种不同铺层顺序的T300/BMP-316层合板的低能冲击过程进行了详细分析,研究了其损伤在各层中的分布规律,并结合层合板的应力等值线图,分析了基体开裂及分层的损伤机理,研究认为基体开裂产生主要由垂直于纤维方向的拉应力达到一定值后,基体和纤维的形变不协调引起的;冲击背面附近和冲击正面附近的分层,分别是由基体开裂和相邻层的弯曲刚度不协调引起的。     

单螺栓修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的影响

开展了单钉修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力影响的试验研究。测试了三种不同能量冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力及失效模式,测定了单螺栓对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的修复效率,并借助数字图像相关技术(DIC)表征手段揭示了单螺栓修复对含冲击损伤结构失效行为的影响。结果表明:冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力随着冲击能量的增加而降低,冲击损伤破坏了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板结构的对称性,并导致结构在加载初期呈非对称的局部屈曲变形特征,局部屈曲诱发并加剧分层损伤扩展;单螺栓修复能有效恢复结构的整体对称性,在一定程度上抑制含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的局部屈曲,达到可观的修复效率。该研究为复合材料紧固件修理方案的制订及修理损伤容限的定义提供一定的指导意义。      

复合材料层板低速冲击后剩余压缩强度

对两种材料体系和铺层的复合材料层合板进行低速冲击后压缩强度试验 , 以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。讨论了表面凹坑深度、 背面基体裂纹长度、 损伤面积以及剩余压缩强度与冲击能量的关系。在试验研究的基础上 , 建立了复合材料低速冲击后剩余强度估算的一种椭圆形弹性核模型。该模型将冲击损伤等效为一刚度折减的椭圆形弹性核 , 采用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元分析含损伤层合板的应力应变状态 ,并应用点应力判据预测层板的压缩(或压、 剪)剩余强度。理论分析与试验结果对比表明 , 该模型简单有效。      

Impact damage characterisation of carbon fibre/epoxy composites with multi-layer reinforcement

Low-velocity impact tests were performed to investigate the impact behaviour of carbon fibre/epoxy composite laminates reinforced by short fibres and other interleaving materials. Characterisation techniques, such as cross-sectional fractography and scanning acoustic microscopy, were employed quantitatively to assess the internal damage of some composite laminates at the sub-surface under impact. Scanning electron microscopy was used to observe impact fractures and damage modes at the fracture surfaces of the laminate specimens. The results show that composite laminates experience various types of fracture; delamination, intra-ply cracking, matrix cracking, fibre breakage and damage depending on the interlayer materials. The trade-off between impact resistance and residual strength is minimised for composites reinforced by Zylon fibres, while that for composites interleaved by poly(ethylene-co-acrylic acid) (PEEA) film is substantial because of deteriorating residual strength, even though the damaged area is significantly reduced. Damages produced on the front and back surfaces of impact were also observed and compared for some laminates.     

三维编织复合材料损伤容限性能试验

为研究三维编织复合材料的损伤容限性能,首先,利用同种纤维、基体和工艺分别制作了4种三维编织复合材料和1种层合复合材料;然后,进行了相同复合材料在不同冲击能量下的及不同复合材料在相同冲击能量下的低速冲击试验和冲击后压缩试验;最后,进行了冲击后的C扫描损伤检测,并对比了冲击后凹坑深度、损伤面积和损伤宽度。结果显示:层合复合材料的损伤形貌主要呈椭圆状,且分层损伤严重,而三维编织复合材料的损伤形貌主要呈十字状,三维编织复合材料的整体性较好;层合复合材料和三维编织复合材料冲击能量的拐点均出现在30 J附近;三维编织复合材料的剩余压缩强度较高,其损伤容限性能优于层合复合材料。所得结论可为三维编织复合材料的工程应用提供指导。      

基于代理模型的复合材料加筋壁板分层损伤定量监测方法

通过建立损伤指数与分层损伤参数间的定量关系,对复合材料加筋壁板分层损伤进行准确定量监测,提出了一种基于代理模型的分层损伤定量监测方法。该方法包括代理模型的建立和逆求解两个过程,通过插值拟合方法建立表征分层损伤参数与损伤指数间定量关系的多项式代理模型;采用损伤概率成像算法获得相对距离和损伤指数,将其代入代理模型中,得到所对应的分层损伤面积;实现对分层损伤进行定量评估的目的。通过一个复合材料加筋壁板分层损伤的定量监测实验,对所提方法的有效性进行了验证。结果表明:基于代理模型的复合材料分层损伤定量监测方法可以实现对分层损伤位置的准确定位,定位误差低于6%;且可实现对分层面积的准确定量评估,定量误差不超过5%。      

飞机用复合材料斜胶接修补结构的冲击损伤

高传力效率的斜面式胶接在飞机复合材料传力接头和修补中被广泛使用,但该结构的低速冲击损伤阻抗和损伤容限未在飞机结构设计中考虑。本文研究了低速冲击下的较厚的复合材料斜胶接板的力学性能及损伤失效。在胶接区域布置不同冲击点,寻找最敏感位置,在该位置进行冲击能量变化研究,通过冲击响应（冲击载荷、挠度、能量等）及冲击损伤两个方面获取其规律和失效机制。小能量和大能量冲击结果表明,胶接区域5个典型冲击位置中,中心位置冲击损伤最大,冲击敏感性最高,因此中心点为冲击损伤阻抗最小位置。中心点不同能量冲击时,冲击响应研究揭示了冲击过程中冲击载荷具有典型的4阶段行为。冲击载荷还具有双峰值力的现象。冲击后沿试样中心线切开的显微损伤图揭示了该结构有两种损伤模式,包括复合材料损伤及胶层损伤。复合材料的损伤包含90°和45°层基体的开裂和0°与90°层之间的层间损伤。胶层损伤出现在试样冲击点正下方背部的复合材料斜接尖端部位。进一步通过考虑复合材料层内、层间损伤及胶层损伤的渐进损伤模型对试验进行仿真研究,找出导致第Ⅱ阶段冲击载荷突降的主要原因为复合材料层间损伤,第Ⅳ阶段冲击载荷再一次突降是由于胶层出现了损伤。     

含冲击损伤复合材料层压板压缩破坏机制试验研究

为了研究含冲击损伤复合材料层压板的压缩破坏机制, 通过前后表面超声C扫描获得分层损伤在层压板内的分布情况, 使用应变片获取层压板两面的应变场, 采用声发射观察层压板压缩破坏过程。研究发现: 冲击分层损伤在厚度方向上的非对称分布引起层压板内部出现严重的应力集中, 致使纤维断裂并最终导致层压板整体破坏; 导致含冲击损伤层压板压缩破坏的主要原因为纤维断裂而非分层扩展。     

Irreversibly absorbed energy and damage in GFRP laminates impacted at low velocity

The scope of this paper was to establish a correlation between the damage occurring in a composite as a consequence of low-velocity impact and the energy dissipated during the impact phenomenon. To this aim, instrumented impact tests were carried out on glass fabric/epoxy laminates of three different thicknesses, using different energy levels. The irreversibly absorbed energy was obtained from the force–displacement curves provided by the impact machine. To assess damage progression as a function of impact energy, ply-by-ply delamination and fibre breakages revealed by destructive tests were measured. A previous model, based on energy balance considerations, was applied to interpret the experimental results, together with an original method of data reduction, allowing for the isolation of the maximum energy portion due to indentation and vibrational effects. From the results obtained, the contribution of fibre breakage and matrix damage to the irreversibly absorbed energy is comparable at low impact energies; with increasing initial energy levels, delamination becomes predominant in determining energy dissipation. However, the critical energy-release rate required to propagate delamination, as calculated from impact data, is considerably higher than the typical values deriving from Mode II delamination tests performed under laboratory conditions.     

Preliminary Study on Evaluation System of Capability of Composites to Withstand Impact

Inthemiddleof1970th,itwasfoundthatthe mainweaknessofcompositelaminateswastheirsen sitivitytoimpactanditlimitedextensiveuseofcom positesinaircraftstructures.Usuallyitwascon sid eredthatthesensibilitycamefrombrittlenessofresin matrix.Thereforedevelopmentoftoughenedresin matrixhasbeenpaidthemostattentiontobymateri alscientistsforthelast30years.Inordertoevaluate thetoughenedresinmatrixcompositesteststand ards[1,2]bythecharacteristicquantityofCAI(Com pressionAfterImpact)wasproposedin1980th.In th…     

Impact and compression after impact experimental study of a composite laminate with a cork thermal shield

The aim of this paper is to present an experimental study of impact and compression after impact (CAI) tests performed on composite laminate covered with a cork thermal shield (TS) intended for launchers fairing. Drop weight impact tests have been performed on composite laminate sheets with and without TS in order to study its effect on the impact damage. The results show the TS is a good mechanical protection towards impact as well as a good impact revealing material. Nevertheless, totally different damage morphology is obtained during the impact test with or without TS, and in particular at high impact energy, the delaminated area is larger with TS. Afterwards, CAI tests have been performed in order to evaluate the TS effect on the residual strength. The TS appears to increase the residual strength for a same impact energy, but at the same time, it presents a decrease in residual strength before observing delamination. In fact, during the impact tests with TS, invisible fibres’ breakages appear before delamination damage contrary to the impacts on the unshielded sheets.