含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度及疲劳性能试验研究

对T300/QY8911复合材料层板进行了低速冲击、 冲击后压缩以及冲击后疲劳试验研究。通过对冲击后的层板进行目视检测和超声C扫描获得了层板受低速冲击后的若干损伤特征; 在压-压疲劳试验中, 测量了损伤的扩展情况。讨论了冲击能量与损伤面积以及冲击后剩余压缩强度的关系, 分析了含冲击损伤层合板在压缩载荷及压-压疲劳载荷下的主要破坏机制。结果表明, 低速冲击损伤对该类层板的强度和疲劳性能影响很大, 在3.75 J/mm的冲击能量下, 层板剩余压缩强度下降了65%; 在压-压疲劳载荷作用下, 其损伤扩展大致可分为两个阶段, 占整个疲劳寿命约60%的前一阶段损伤扩展较为缓慢; 而疲劳寿命的后半阶段损伤则开始加速扩展, 并导致材料破坏。     

二维C/SiC-ZrC复合材料的低速冲击损伤研究

通过二维C/SiC-ZrC复合材料的低速冲击、冲击后拉伸试验以及CT扫描方法, 研究了不同冲击能量对材料冲击损伤特征及拉伸性能的影响。结果表明C/SiC-ZrC复合材料具有较高的冲击损伤容限, 在15~24 J能量范围内的损伤状态主要表现为穿透损伤。随着冲击能量的增大, 材料名义拉伸强度的下降趋于平缓, 最大降幅约为25%。冲击主要造成冲击区域附近的复合材料发生分层和纤维断裂损伤, 冲击区域以外未发生明显的损伤和破坏。     

SiC/SiC复合材料层板低速冲击及其剩余强度试验研究

高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题,低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象,在不同能量下开展了低速冲击试验,分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态,通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌,结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线,分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验,研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明,在低速冲击载荷的作用下,试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤,试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能,虽然试验件损伤勉强目视可见,但其剩余压缩强度为无损件81%,剩余拉伸强度仅为无损件的68%。     

CFRP层合板的二次低速冲击及剩余压缩强度试验研究

以碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板为研究对象,在结构的相同位置进行二次低速冲击,考察二次冲击时结构的动力响应和冲击后的剩余压缩强度,并与单次冲击的结果进行对比。在总冲击能量相同的前提下,采用落锤法对CFRP层合板进行冲击试验,得到结构单次和二次冲击的动力响应、能量吸收规律。采用超声波C扫描技术观测CFRP层合板内部的冲击损伤后,对CFRP层合板进行剩余压缩强度试验。系统研究和对比了单次和二次冲击对CFRP层合板在结构动力响应、能量吸收、损伤情况和剩余强度的影响。结果表明:总冲击能量分别为20 J、30 J、40 J时,二次冲击层合板试件吸收的总能量分别是单次冲击的52.50%、67.56%、81.41%,损伤总面积分别是单次冲击的60.58%、64.59%、80.60%;单次冲击后结构的剩余压缩强度分别是二次冲击的76.76%、78.65%、92.40%。此外,CAI-冲击能量、CAI-吸收能量和CAI-损伤面积曲线均在20 J的冲击能量下存在拐点。     

多损伤复合材料加筋壁板高周疲劳特性及剩余压缩强度

为研究常用于飞机垂尾的复合材料加筋壁板的冲击疲劳特性,设计了该型加筋壁板多点冲击试验、高周疲劳试验及剩余压缩强度试验。讨论了不同冲击能量对筋条边缘冲击损伤的影响,及施加低应力水平的疲劳载荷后各冲击损伤区域的扩展情况,对比分析了疲劳对冲击后剩余压缩强度的影响。结果表明:40J能量冲击后的损伤面积和凹坑深度较大,C扫描损伤形貌很不规则。100万次低应力疲劳后主损伤区附近衍生出新损伤,导致压缩破坏时产生向上、下夹具扩展的裂痕。该型加筋壁板疲劳后破坏载荷保持率为95.6%,有较好的抗冲击疲劳能力,为加筋壁板耐久性及后屈曲设计提供了思路。     

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。      

复合材料加筋板低速冲击损伤及剩余压缩强度试验研究

采用落锤法对复合材料加筋板进行了低速冲击损伤（LVI）试验,根据复合材料加筋板构型,设计了冲击支持支架,研究了支持支架的间距对冲击结果的影响;用相同的冲击能量对复合材料加筋板结构中3处典型位置进行冲击,得到不同位置的损伤形貌;分别对完好件和损伤试验件进行压缩试验,将试验结果进行对比,分析不同位置的冲击损伤对结构压缩性能的影响。试验结果表明：在相同的冲击能量下,支持支架间距越小,所造成的冲击损伤越严重;在50 J冲击能量下,筋条区蒙皮处的冲击所造成的损伤不易观察,筋条间蒙皮处的冲击所造成的损伤最为明显,而筋条边缘蒙皮处的冲击可以导致筋条边缘的脱粘;冲击损伤会使加筋板屈曲载荷轻微下降,筋条间蒙皮和筋条区蒙皮冲击损伤对压缩结果影响相对较小,筋条边缘处的冲击会引起损伤处蒙皮的子层屈曲,并影响结构破坏形式,使结构压缩承载能力有较为明显的下降。     

缝合复合材料层板面内边缘冲击及冲击后压缩实验

利用真空辅助树脂传递成型(VARTM)技术制备缝合/未缝合碳纤维层板,并分别对其进行了五种不同能量的面内边缘冲击及冲击后压缩实验,结构内部的冲击损伤通过超声C扫描检测技术进行观测。结果表明：缝合工艺的引入能有效提高碳纤维层板的面内冲击阻抗及损伤容限,在五种能量范围内,冲击峰值力的增幅达到4.54%～10.33%,冲击后剩余压缩强度的增幅最高达到9.32%;另外,通过超声C扫描检测结果发现,面内边缘冲击后,在复合材料面板上的冲击点附近会出现一个半椭圆形的分层区域,且缝合层板的分层损伤面积明显小于未缝合层板;未缝合层板面内边缘冲击后压缩的主要破坏模式为分层扩展,而缝合层板面内边缘冲击后的压缩失效模式为整体屈曲。     

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.     

带表面防护层复合材料层板的低速冲击及冲击后压缩性能试验研究

对增加了表面防护层的国产碳纤维/增韧环氧树脂CCF300/5228A层板的低速冲击及冲击后压缩性能进行了试验研究。通过落锤式低速冲击试验,得到了各组层板的冲击接触力历程、凹坑深度和内部分层面积等特征,而冲击后压缩试验结果可用来对各组层板的损伤容限性能进行评估。结果表明,同裸板相比,加了表面防护层的层板其分层起始载荷变化不大,但形成同样的1.0 mm凹坑所需的冲击能量增大了24%~46%。而对于内部分层,在一定的冲击能量范围下,加表面防护层的层板的C扫分层面积比裸板减小了20%~50%,而在同样凹坑深度的情况下,层板在加了表面防护层之后分层面积变化不大。冲击后压缩性能与内部分层情况具有较大的关联性,同样冲击能量下分层面积较小的各组带表面防护层板,其冲击后压缩强度和破坏应变相对于裸板的提高在15%~50%之间,而在凹坑深度相同的情况下,二者的冲击后压缩强度和破坏应变相差不大。     

纤维金属层板低速冲击试验和数值仿真

为开展纤维金属层板（FML）低速冲击有限元数值仿真研究,改进了传统的连续损伤力学（CDM）模型,然后对FML落锤低速冲击试验进行数值仿真,并与实验结果进行对比验证。分别采用5.11 J 和10.33 J冲击能量对FML进行落锤低速冲击试验,得到冲击载荷、位移和能量时程曲线,分析FML的动态响应和失效模式。建立了考虑塑性应变、压缩刚度衰减特征和纤维拉伸断裂损伤的新CDM模型,描述S2-玻璃纤维/环氧树脂（S2-galss/epoxy）复合材料的损伤本构,并编写VUMAT子程序,通过ABAQUS/Explicit求解器对FML落锤冲击试验进行数值仿真。研究结果表明：低能量冲击条件下,FML背面主要为鼓包和裂纹等失效模式,位移峰值随冲击能量的提高而增加,冲击载荷峰值在穿透前也随冲击能量的提高而增加;采用改进的CDM模型描述FML中S2-galss/epoxy复合材料铺层后,有限元数值计算可以较好地预测FML低速冲击载荷下的动态响应;有限元数值仿真结果表明,FML中第2层复合材料铺层发生的纤维断裂损伤比第1层的更严重。     

Impact damage and residual strengths of woven fabric glass/polyester laminates

Thick glass/polyester laminates of four different dimensions subject to low-velocity impact have been investigated using a guided drop-weight test rig with a flat-ended impactor in ascending energy order up to 3100 J. The characteristics of impact response and energy absorption have been determined by impact force and absorbed energy histories, and impact damage incurred was examined by cross-sectioning and ultrasonic C-scanning. Residual compressive strengths were measured, and the damage tolerance of the laminates was assessed by the retaining ability of these strengths. It is found that the salient features in force-time history curves can be related to fracture processes occurring in the laminates, and that the established relationships between impact force and incident kinetic energy (IKE) can be used to identify damage initiation without examining impacted specimens, which is later confirmed by the damage force maps. The constructed damage force and energy maps have shown not only damage initiation in an unstable fashion but also increase of damage size with IKE and force until reaching their load-bearing capabilities. Residual compressive strengths are reduced very rapidly with the increase of impact damage due to extensive delamination.     

A study on the low-velocity impact response of laminates for composite railway bodyshells

This paper presents a study on the low-velocity impact response of woven fabric laminates for the composite bodyshell of a tilting railway vehicle. In this study, low-velocity impact tests for the three laminates with size of 100 mm × 100 mm were conducted at three impact energy levels of 2.4 J, 2.7 J and 4.2 J. Based on these tests, the impact force, the absorbed energy and the damaged area were investigated according to different energy levels and stacking sequences. The damage area was evaluated by visual inspection and C-scan measurement. The test results showed that the absorbed energy of [fill]₈ laminate was highest whereas [fill₂/warp₂]_s laminate was lowest. The [fill]₈ laminate had the largest delamination area because of the highest impact energy absorption.     

单板层积材-木粉/高密度聚乙烯共挤出复合材料抗低速冲击性能

通过共挤出技术制备具有核壳结构的共挤出复合材料,其中壳层为木粉/高密度聚乙烯（W/HDPE）,核层为杨木单板层积材（LVL）,测试了LVL-W/HDPE和LVL在50 J、75 J及100 J能量下的低速冲击性能,并进一步研究水煮-冰冻-干燥环境处理后两者的低速冲击性能。结果表明,与LVL相比,在50 J能量冲击过程中LVL-W/HDPE的吸收能量和损伤深度分别降低2.9%和15.9%;在75 J能量冲击过程中LVL-W/HDPE的吸收能量和损伤深度分别降低3.9%和9.2%;而在100 J能量冲击下,两者的抗冲击性能基本相同;经水煮-冰冻-干燥环境处理后,由于壳层WPC的保护作用,LVL-W/HDPE不仅保持了良好的抗冲击性能,还表现出了优异的耐环境性能。     

Mechanical and Electromagnetic Interference Shielding Behavior of C/SiC Composite Containing Ti3SiC2

In order to obtain the composites with the integration of structural and functional properties, Ti₃SiC₂ is introduced into C/SiC due to its excellent damage tolerance and electromagnetic interference (EMI) shielding properties. C/SiC–Ti₃SiC₂ has the lower tensile strength, while the higher compressive strength than C/SiC. The penetration energy of C/SiC–Ti₃SiC₂ in the impact experiment is improved at least three times than that of C/SiC, resulting from the improved damage tolerance. With the introduction of Ti₃SiC₂, the EMI shielding effectiveness increases from 31 to 41 dB in X‐band (8.2 to 12.8 GHz) due to the increase of electrical conductivity. C/SiC–Ti₃SiC₂ reveals the great potential as structural and functional materials based on the multi‐functional properties.

     

齿板-玻璃纤维/聚氨酯泡沫芯夹层梁的低速冲击性能

提出了一种由齿板-玻璃纤维（TP-GF）混合面板和聚氨酯（PU）泡沫芯材组成的新型TP-GF/PU泡沫夹层梁,结构中金属板通过齿钉压入GF与内部芯材连接,该夹层梁采用真空导入模压工艺制作。通过低速冲击试验,研究了不同冲击能量、纤维厚度和泡沫密度下TP-GF/PU泡沫夹层梁的冲击响应和损伤模式,并与普通的夹层梁进行了对比分析;通过双悬臂梁试验研究了混合夹层梁的界面性能,计算了夹层梁的应变能释放率。结果表明:在22 J、33 J、44 J能量冲击下,泡沫芯材密度为150 kg/m3的TP-GF/PU泡沫夹层梁的最大接触力较普通夹层梁分别提高了31.2%、48.6%、33.3%,冲击能量吸收分别增加了17.2%、11.3%、15.5%;随着冲击能量、面板纤维层数及芯材密度的增加,TP-GF/PU泡沫夹层梁最大接触力增大,密度较低的TP-GF/PU泡沫夹层梁损伤形式主要为面板的局部弯曲,而芯材密度较高的TP-GF/PU泡沫夹层梁则以穿透损伤为主;增加泡沫芯材密度和面板纤维厚度能够提高TP-GF/PU泡沫夹层梁的抗冲击性能,随着芯材密度的增大TP-GF/PU泡沫夹层梁的应变能释放率峰值越高,界面性能越好。      

基于声发射信号的三维针刺C/SiC复合材料拉伸损伤演化研究

本研究对三维针刺C/SiC(3-dimension needled C/SiC, 3D-N C/SiC)复合材料进行室温单调拉伸和拉伸加载-卸载试验, 利用声发射技术对试样损伤演化进行动态监测。采用K-均值聚类分析方法对小波降噪后的声发射信号进行了损伤模式识别, 结合试样断口扫描电镜观测, 发现3D-N C/SiC复合材料在拉伸载荷作用下主要存在五类损伤模式: 基体开裂、界面脱粘、界面滑移、纤维断裂和纤维束断裂。通过快速傅里叶变换(FFT)方法对小波降噪后的信号进行频谱分析得出: 3D-N C/SiC复合材料在拉伸载荷作用下主要存在240、370和455 kHz三种频率的损伤信号, 分别对应于界面损伤、基体损伤和纤维损伤。结合单调拉伸试验过程声发射信号能量柱分布和加卸载过程累积能量曲线特征, 分析了试样损伤演化机理。