低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

对缝纫层合板和无缝纫层合板进行低速冲击后压缩破坏实验,以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。采用C扫描、X射线、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量和对比。结果表明,界面不是很强的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击后受压时,层合板非冲击面的子层屈曲及其扩展是导致层合板冲击后压缩强度下降的重要因素,而且子层屈曲主要是沿垂直载荷的方向(90°)扩展;对于准各向同性板,屈曲子层中与母层相邻的铺层的方向一般为90°。层合板的剩余压缩强度与板的冲击损伤面积无直接关系。      

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。      

压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响

为确定压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响,首先对不同压缩预应力下的碳纤维/双马树脂CCF300/5428层板进行了低速冲击和准静态压痕试验,然后通过热揭层和冲击后压缩试验分别得到了层板分层面积和剩余强度。结果表明:压缩预应力会大幅降低层板的接触刚度和弯曲刚度,从而导致相同冲击能量下层板凹坑深度和背部基体开裂长度增大;对于准静态压痕过程和相同冲击能量下的冲击过程,分层起始载荷和峰值载荷均随压缩预应力的增大而减小;在相同冲击能量下,随着压缩预应力的增大,层板内部分层总面积及冲击能量吸收比不断增大,剩余压缩强度不断降低。因此,压缩预应力会降低复合材料层板的冲击损伤阻抗,对损伤容限性能不利,在对承受压缩载荷结构的试验验证过程中应考虑压缩预应力对抗冲击损伤性能的影响。      

小尺寸试件层合板低速冲击后的剩余压缩强度

使用一种小尺寸试件试验方法来测量复合材料层合板低速冲击后的剩余压缩强度(CAI),以便减少试验费用,降低材料研制成本和周期。在试验研究的基础上,建立了复合材料低速冲击后剩余压缩强度估算的一种软化夹杂模型。该模型将冲击损伤等效成圆形低刚度的夹杂,用8节点等参元分析层合板的应力应变状态,以点应力准则为压缩破坏判据。理论分析结果与试验对比显示,该模型简单有效。     

复合材料层板开孔压缩损伤分析

针对纤维增强复合材料层板开孔压缩, 将复合材料层板的失效分为层内失效和层间失效, 建立了复合材料层板开孔压缩损伤分析模型。该模型基于逐渐损伤分析, 对不同复合材料开孔层板进行了失效预测, 并与文献中试验结果进行了对比, 破坏强度和失效模式均与文献试验结果非常吻合。结果表明, 本文中所建立的层板开孔压缩损伤分析模型能够模拟含孔层合板压缩过程中的损伤起始、损伤扩展和最终破坏, 并最终预测含孔层合板压缩失效模式和破坏强度。     

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。      

缝合复合材料可用性--环境条件下层合板的冲击后压缩性能

为了解决缝合复合材料在航空航天结构中的应用问题,对国内生产的缝合/树脂膜渗透成型工艺复合材料层合板在三种不同环境条件下的低速冲击后压缩性能进行试验研究.结果表明,缝合改变了含冲击损伤层合板的压缩破坏机理,可以大幅度提高层合板在干态常温下的冲击后剩余压缩强度,但是对湿态高温下层合板的冲击后剩余压缩强度影响不大;缝合方向对冲击损伤面积和剩余压缩强度的影响较小,其中以0°缝合较为有利.     

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。     

单面贴补修理后层合板的拉伸性能

对含孔损伤复合材料层合板单面贴补后进行拉伸试验研究。测量了层合板的应变分布、修理后层合板中心点的离面位移及拉伸强度等, 考察了补片的厚度、大小等因素对修理效果的影响。结果显示, 增加补片的厚度和直径能够提高母板的承拉能力, 但是增加补片的厚度会导致层合板离面位移增大。对无侧边支持的单面贴补层合板进行计算分析时, 必须考虑偏心载荷引起的弯矩的影响。在此基础上, 采用分层损伤判据建立了三维有限元模型, 对单面贴补层合板的破坏机理和拉伸强度进行了计算和分析。结果表明, 修理后层合板的拉伸破坏是由补片或母板内与胶接面相邻的层间分层引起的; 计算结果与试验结果一致。      

层间颗粒增韧HT3/QY8911的损伤阻抗和损伤容限

采用热塑性颗粒对双马基体复合材料层合板HT3/ Q Y8911 进行层间增韧, 制备未加入增韧颗粒的对比件和加入增韧颗粒的改性件。通过准静态压痕(QSI) 实验和冲击后压缩实验, 研究了层间增韧后HT3/ Q Y8911的损伤阻抗和损伤容限特性。结果和分析表明, 改性件在静压痕力下具有较高的分层起始载荷, 或在相同载荷水平下具有较小的损伤面积。提出从分层起始点载荷大小和载荷下降程度两方面来衡量试件对准静压痕力的响应。在相同的静压痕力或单位厚度冲击能量下, 层间增韧后的HT3/ Q Y8911 具有较深的凹坑, 表明塑性变形较大的层间区域以凹坑为代价换取了较小的损伤面积, 具有较高的损伤阻抗。在冲击后压缩面积相差不大的情况下, 层间增韧件的冲击后压缩强度和压缩破坏应变显著增加。      

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。     

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。     

Effect of Thickness and Denting Behavior of Glass/Epoxy Laminates Subjected to Quasi-Static Indentation (QSI) Loading Under Acoustic Emission Monitoring

The present work focuses on investigating the effect of laminate thickness on quasi static indentation behavior of glass/epoxy laminates under acoustic emission monitoring. The load bearing and energy absorbing capability of the glass/epoxy samples at different indentation depth were examined. The damage development and damage mechanisms associated with the tests were characterized in both thin and thick samples, and their results were correlated. The results showed that the thickness of the glass/epoxy laminates significantly influenced the damage onset load, residual deformation and damage area. It was observed that the thick samples exhibited higher peak force, greater absorbed energy, and residual flexural load by an average of 2.08, 2.53, and 2.13 times respectively compared to thin samples. In contrast, the permanent deformation and damage area was observed to be 32% deeper and larger in thick samples while the thin samples showed reduced damage area and residual deformation which attributes to greater elastic response caused by large global deformation.     

基于非接触位移测量的层压板低速冲击性能分析

为通过冲击点位移获得复合材料层压板的低速冲击性能,首先,在层压板落重冲击试验中,使用高速激光位移传感器测得冲击点背部的位移和速度;然后,基于弹簧-质量冲击模型,以冲击点位移计算了冲击接触力,并通过无损冲击试验标定了弹簧-质量模型参数;接着,模拟了有损伤冲击过程的接触力,利用实测冲击点速度响应判定了分层产生的时刻,并根据模拟结果得出了分层阈值力;最后,根据无损检测结果进行了层压板抗弯刚度的折减,使用弹簧-质量模型计算了产生冲击损伤后的接触力及能量吸收曲线,使用冲头和冲击点背部位移计算凹坑的实时深度。结果显示:结构受冲击发生分层时,由于层压板刚度的突降,冲击点速度出现剧烈震荡,该现象可以作为结构出现分层损伤的识别特征;产生冲击损伤后的接触力及能量吸收曲线的计算结果与试验测试结果吻合。计算所得凹坑的实时深度随冲击能量的变化趋势与冲击后测试的凹坑深度变化趋势一致。这些结果表明提出的基于非接触测量技术的方法可用于无法直接测量接触力情况下的层压板冲击性能分析。      

Cooling rate influences in carbon fibre/PEEK composites. Part III: impact damage performance

The effect of cooling rate on impact damage performance of carbon fibre/polyether ether ketone (PEEK) matrix composite is characterised based on the instrumented drop-weight impact test, scanning acoustic microscopy (SAM) damage evaluation and compression-after-impact (CAI) test. Judging from the incipient impact load, incipient impact energy and total damage area, the ability to resist damage initiation upon impact was higher in the order of fast-cooled carbon/PEEK, slow-cooled carbon/PEEK and carbon/epoxy laminates. Furthermore, the threshold impact energy was higher and the CAI strength reduction rate was lower for the fast-cooled specimen than the slow-cooled counterpart, strongly indicating higher impact damage tolerance of the former system. The present study demonstrates that the impact damage performance and other important properties of carbon/PEEK composites can be optimised, if not maximised, by proper control of processing conditions, especially the cooling rate.     

离位增韧复合材料层合板准静态压入实验研究

采用准静态压入(Quasi-Static Indentation, QSI)实验方法对"离位"增韧复合材料层合板和未增韧层合板进行了实验研究.分析了QSI实验中层合板的损伤破坏过程,并对两类层合板的实验结果进行了对比分析.结果表明:"离位"增韧技术能够有效提升复合材料层合板的低速冲击损伤阻抗性能;准静态压入实验中,接触...     

Impact damage resistance of CFRP with nanoclay-filled epoxy matrix

The influence of nanoclay on the impact damage resistance of carbon fibre–epoxy composites has been investigated using the low-velocity impact and compression after impact (CAI) tests. The load–energy vs. time relations were analyzed to gain insight into the damage behaviours of the materials. The CFRPs containing organoclay brought about significant improvement in impact damage resistance and damage tolerance in the form of smaller damage area, higher residual strength and higher threshold energy level. The presence of nanoclay in the epoxy matrix induced the transition of failure mechanisms of CFRP laminates during the CAI test, from the brittle buckling mode to more ductile, multi-layer delamination mode. Addition of 3 wt% clay was shown to be an optimal content for the highest damage resistance.     

Failure analysis of CFRP laminates subjected to compression after impact: FE simulation using discrete interface elements

This paper presents a model for the numerical simulation of impact damage, permanent indentation and compression after impact (CAI) in CFRP laminates. The same model is used for the formation of damage developing during both low-velocity/low-energy impact tests and CAI tests. The different impact and CAI elementary damage types are taken into account, i.e. matrix cracking, fiber failure and interface delamination. Experimental tests and model results are compared, and this comparison is used to highlight the laminate failure scenario during residual compression tests. Finally, the impact energy effect on the residual strength is evaluated and compared to experimental results.