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。      

准静态压痕力作用下复合材料层压板的损伤阻抗分析

建立了一种复合材料层压板在准静态压痕力作用下的损伤阻抗的预测方法。首先分别针对基体破坏、分层、 纤维断裂等失效模式引入相应的失效变量 , 并建立不同失效模式下的刚度折减方法 , 然后采用基于应变描述的 Hashin和 Yeh失效准则并结合有限元方法 , 对复合材料层压板在准静态压痕力作用下的破坏过程进行渐进损伤分析 , 在此基础上进一步预测了层压板的损伤阻抗。采用商用有限元软件 ABAQUS/ Standard 的 UMAT用户子程序实现数值模拟。计算结果表明 , 分层起始与扩展是导致载荷2位移曲线发生第 1 次卸载的主要原因 , 当接触力达到其最大值时出现较明显的纤维断裂。分层起始载荷和最大接触力的预测结果与实验数据吻合良好。     

含分层损伤复合材料层压板低速冲击模型刚度计算方法

针对基于弹簧质量模型的层压板低速冲击模拟方法,研究产生分层损伤后层压板整体刚度的计算方法。首先将板分为中心含分层的圆形区域与四周未分层环形区域。根据薄板弯曲理论,利用边界条件及两区域交界处的转角协调条件得到两个区域的挠度,进而计算刚度。基于ABAQUS软件建立了含损伤层压板的有限元模型进行该计算方法的验证,结果表明,该方法的计算结果与有限元模型结果吻合较好。进行了层压板落重冲击试验,根据无损检测得到的分层信息利用本方法进行了弯曲刚度的折减,再利用弹簧-质量模型模拟有损伤产生过程的冲击接触力,模拟结果和实验与有限元结果吻合良好,证明所提出的层压板低速冲击弹簧-质量模型分层刚度折减算法是有效的。     

含冲击损伤缝合层板剩余压缩强度

通过对含冲击损伤缝合复合材料层板进行压缩实验, 揭示了含损伤缝合层板在压缩载荷下的破坏模式和破坏机制。将冲击损伤等效为圆孔, 利用杂交单元计算冲击后缝合层板的应力分布, 采用基于特征曲线概念的点应力判据预测了含损伤缝合层板的剩余压缩强度。研究结果表明: 冲击损伤近似为圆形; 缝合和未缝合层板冲击后压缩的损伤模式不同; 采用开口等效法可以有效分析缝合层板的剩余压缩强度; 特征距离、 损伤面积是影响计算结果的主要因素。     

含冲击损伤缝合层板剩余压缩强度

通过对含冲击损伤缝合复合材料层板进行压缩实验,揭示了含损伤缝合层板在压缩载荷下的破坏模式和破坏机制.将冲击损伤等效为圆孔,利用杂交单元计算冲击后缝合层板的应力分布,采用基于特征曲线概念的点应力判据预测了含损伤缝合层板的剩余压缩强度.研究结果表明:冲击损伤近似为圆形;缝合和未缝合层板冲击后压缩的损伤模式不同;采用开口等效法可以有效分析缝合层板的剩余压缩强度;特征距离、损伤面积是影响计算结果的主要因素.     

平面编织复合材料层压板低速冲击后的压缩失效

采用超声C扫描检测、断口分析、有限元分析等方法研究低速冲击损伤对G803/5224与G827/5224两种平面编织复合材料层压板失效行为的影响。结果表明,低速冲击后压缩载荷作用下,G803/5224层压板最终为剪切分层失效,G827/5224层压板最终为剪切屈曲失效,两种层压板低速冲击后压缩的失效模式与未受损伤层压板基本相同。建立了平面编织复合材料层压板的损伤扩展与失效模型,该模型的计算结果与试验结果吻合较好,可用于平面编织复合材料层压板的失效仿真。     

复合材料层合板准静态横压损伤及其压缩破坏研究

为了考察一种小试件CAI试验方法的有效性,本文作者对复合材料层合板的准静态横向压缩特性和损伤,以及损伤后的压缩破坏进行了试验研究,采用C扫描、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量,并将含准静态横压损伤层合板的剩余压缩强度与低速冲击后板的压缩强度进行了比较。结果表明:在横压过程中存在分层损伤起始门槛压缩载荷值或压入深度值,以及横压载荷极限值;小板试件各界面的分层面积沿厚度方向的分布和继后的压缩破坏形式等与SACMA的CAI试验标准的情况相异。     

碳纤维增强环氧树脂基复合材料轴管的低速冲击失效机制及剩余压缩性能

采用落锤冲击试验模拟低速冲击过程,对碳纤维增强环氧树脂基复合材料传动轴的轴管在不同能级冲击下的损伤行为以及冲击后的剩余压缩性能进行了研究;通过ABQUAS有限元分析软件和X射线断层扫描技术(CT）相结合的方法观察了复合材料轴管在受到低速冲击时的损伤形式,研究其内部损伤规律。结果表明,复合材料轴管的抗冲击形变能力随着冲击能量的增加先增强后减弱,在冲击能量为10 ~20 J之间出现最大值。CT无损检测结果显示复合材料轴管的失效形式包括分层损伤、树脂开裂和纤维破裂(断裂)。在低能量冲击时,复合材料轴管主要产生分层损伤和树脂的开裂,而纤维断裂损伤只出现在冲击位置,且随着冲击能量的增加纤维断裂现象愈加显著。有限元仿真结果显示复合材料轴管中的碳纤维在拉伸方向的失效明显小于压缩失效,压缩失效沿纤维排布方向扩散,拉伸失效沿轴向和横向呈十字扩散,轴向失效的程度大于横向失效的程度;而树脂的压缩失效沿轴向从冲击位置向横向扩散,扩散形状近似圆形,越靠近圆心失效越明显,拉伸失效范围呈十字,整体失效沿十字边缘扩散。      

含紧固件复合材料层压板雷击后损伤及力学性能退化试验

以含金属紧固件编织结构碳纤维/环氧树脂复合材料层压板为研究对象,通过人工模拟雷电流试验,并结合目视观察、超声损伤扫描、微米X射线三维成像及高倍显微镜等损伤检测手段,对其在雷电流直接效应作用下的损伤模式、机制及特征进行了分析,同时,采用材料力学性能试验系统,对其雷击后的静拉伸承载能力退化程度进行了评估。研究结果表明：由金属紧固件引起的"雷电流分散效应"导致含紧固件复合材料层压板雷击损伤以分层损伤为主,且损伤沿层压板整个厚度方向分布;雷击损伤的产生存在一个雷电流强度门槛值,当雷电流强度小于该值时,层压板不会出现损伤;紧固孔周围的雷击损伤在静拉伸过程中会产生"应力分散效应",导致含紧固件层压板静拉伸承载能力随雷击峰值电流的增加先提高后下降。     

平面编织复合材料层压板的冲击失效行为

对复合材料层压板进行不同能量的落锤冲击试验,根据凹坑深度将冲击损伤分为无损伤、目视不可检、目视可检与穿透损伤4个等级。通过C-扫描检测、热揭层、损伤截面观察等方法,研究了不同等级损伤的失效特征、失效模式与失效过程。结果表明,不同等级损伤的失效模式不同,目视不可检损伤主要为分层失效,目视可检损伤主要为分层与基体开裂,穿透损伤主要为纤维断裂。损伤达到穿透前后的失效过程也存在差异。     

含分层损伤缝合复合材料层板的剩余压缩强度

基于渐进损伤方法,研究了含单脱层缝合复合材料层板在压缩载荷下的剩余强度。通过商用软件ABAQUS建立了含单脱层缝合复合材料层板剩余压缩强度计算模型,考虑了子层屈曲和分层扩展对剩余强度的影响。通过UMAT子程序实现了层板失效、层间失效和缝线失效的模拟。通过嵌入式杆单元结构模拟了缝线桥联作用及失效。采用Hashin准则及刚度折减法对纤维拉压、基体拉压失效进行了模拟。通过渐进损伤分析,揭示了缝合情况下含单脱层复合材料层板的失效机理,讨论了缝合参数对剩余压缩强度的影响。所预测的破坏模式和剩余强度结果与实验能较好地吻合。分析表明缝合可以明显提高含分层损伤复合材料层板的子层屈曲载荷,抑制分层扩展,并提高层板的剩余压缩强度。     

含矩形边缘分层缺陷层合板的压缩性能

对含矩形边缘分层缺陷层合板的压缩性能进行试验研究和理论分析, 考察了层合板厚度(含铺层形式)、 分层位置、 形状、 面积以及环境等因素对压缩强度的影响, 并采用分层扩展以及软化夹杂两种模型对含分层层合板的压缩强度进行了计算和破坏机理分析。结果表明: 厚板对边缘分层缺陷不敏感, 中等厚度和薄层合板比较敏感; 缺陷的位置和形状对层合板压缩强度有一定的影响; 湿热环境改变了含缺陷板的压缩破坏机理, 并对中等厚度板和薄板的压缩强度有明显的影响。两种模型中软化夹杂模型效果较好, 可用于工程设计计算。      

纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟

推导了复合材料应变率相关三维本构关系, 并将其用于复合材料层板高速冲击损伤的数值模拟。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度退化, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料层板高速冲击的破坏过程及层板的损伤特性。数值分析结果表明, 剩余速度预报结果与实验结果吻合较好, 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂, 减小弹体直径、 增大铺层角度和层板厚度能够有效降低层板损伤面积。      

Micromechanical Modeling of Impact Damage Mechanisms in Unidirectional Composite Laminates

Composite laminates are susceptible to the transverse impact loads resulting in significant damage such as matrix cracking, fiber breakage and delamination. In this paper, a micromechanical model is developed to predict the impact damage of composite laminates based on microstructure and various failure models of laminates. The fiber and matrix are represented by the isotropic and elastic-plastic solid, and their impact failure behaviors are modeled based on shear damage model. The delaminaton failure is modeling by the interface element controlled by cohesive damage model. Impact damage mechanisms of laminate are analyzed by using the micromechanical model proposed. In addition, the effects of impact energy and laminated type on impact damage behavior of laminates are investigated. Due to the damage of the surrounding matrix near the impact point caused by the fiber deformation, the surface damage area of laminate is larger than the area of ??impact projectile. The shape of the damage area is roughly rectangle or elliptical with the major axis extending parallel to the fiber direction in the surface layer of laminate. The alternating laminated type with two fiber directions is more propitious to improve the impact resistance of laminates.     

复合材料层合板缺口强度的CDM三维数值模型

针对复合材料层合结构缺口强度问题,基于连续损伤力学（CDM）提出了一种三维损伤数值模型。模型区分了层内损伤（纤维失效、纤维间失效）和层间分层损伤的不同失效模式。采用三维Puck准则与Aymerich准则对上述2类损伤进行判定,材料失效后基于CDM中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型考虑了复合材料层合板子层的就位效应和剪切非线性行为。对Carlsson的AS4/3501-6缺口拉伸强度试验进行数值模拟。结果表明:分析结果与试验结果吻合良好,证明了该模型能够准确地预测含缺口复合材料层合板面内拉伸强度。      

低速冲击下复合材料层板压缩许用值

为评估航空结构中常用的T300级和T800级2种碳纤维/环氧树脂复合材料层压板的冲击后压缩许用值,对2种材料体系下具有不同厚度及铺层的层板进行了低速冲击和冲击后压缩试验;讨论了冲击能量、凹坑深度、损伤面积及冲击后剩余压缩强度等之间的关系,以及厚度、铺层、表面防护等因素对其造成的影响;重点关注了2种材料体系下各组层板的目视勉强可见冲击损伤(BVID)形成条件以及含BVID层板的剩余强度.结果表明:厚度及铺层对层板的凹坑深度-冲击能量关系影响较大,而对冲击后压缩强度-凹坑深度及冲击后压缩破坏应变-凹坑深度关系影响较小,且在相同铺层比例下,BVID对应的冲击能量随厚度近似呈线性增长.X850层板的损伤阻抗性能明显优于CCF300/5228层板的,但二者损伤容限性能相当.加铜网、涂漆等表面处理显著提高了层板的损伤阻抗,但对损伤容限性能影响不大;在损伤不超过BVID时,所有CCF300/5228试件的压缩破坏应变均大于4 000 με,而X850材料体系下压缩破坏应变均在3 000 με之上.     

缝合复合材料层板低速冲击损伤数值模拟

建立了缝合复合材料层板在低速冲击载荷下的渐进损伤分析模型。模型中采用空间杆单元模拟缝线的作用;采用三维实体单元模拟缝合层板,通过基于应变描述的Hashin准则,结合相应的材料性能退化方案模拟层板的损伤和演化;采用界面单元模拟层间界面,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的应变能释放率准则判断分层的起始和扩展规律。通过对碳800环氧树脂复合材料（T800/5228）层板的数值仿真结果和试验结果相比较,验证了模型的正确性,同时讨论了不同冲击能量下缝合层板的损伤规律。研究结果表明：缝线能够有效地抑制层板的分层损伤扩展;相同冲击能量下缝合与未缝合层板的基体损伤和纤维损伤在厚度分布上相似,缝合层板的损伤都要小于未缝合层板。