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。     

复合材料翼盒壁板低速冲击接触力、凹坑特性及其模拟

为预测复合材料层合板的低速冲击特性,提出一种基于弹簧-质量模型的冲击分层响应模拟方法。首先根据假定的分层数量和分层面积计算分层前后的弯曲刚度与挠度变化,进而模拟出含分层过程的冲击头运动时间历程。然后,由冲击头的加速度计算接触力,并基于材料的弹-塑性接触定律计算出永久凹坑深度。随后,对共固化复合材料翼盒的壁板进行了低速冲击实验,冲击点分为3种类型:2个梁间蒙皮的中点位置、蒙皮与翼梁T型连接的胶接区边界和梁的正上方。接着,分析对比了不同冲击点的接触力、分层阈值力和凹坑深度的特点。最后,使用所提出的模型计算第1种冲击点的接触力、永久凹坑深度和吸收能量,并分析了矩形板长宽比对薄膜刚度及接触力的影响。结果表明:模拟的接触力与实测结果吻合良好,对永久凹坑深度和吸收能量的模拟精度也较高,所提模拟方法有效;随着长宽比的减小,薄膜刚度迅速增大,从而使接触力显著增大。      

复合材料层压板小质量冲击下分层扩展的接触力阈值识别

识别出层压板小质量冲击下发生分层扩展时的接触力有助于确定导致其损伤的外物冲击能量。由解析模型的分析可知,局部接触刚度降低会引起接触力的突降,而整体弯曲刚度的降低不会产生这个响应特征,只会导致接触力峰值的降低。研发了小质量冲击试验机,对层压板进行多个能量下的小质量冲击试验,由冲击头的响应和层压板冲击点的挠度测量接触力。发现产生明显分层损伤时,接触力在理论的分层阈值处有明显下降,随后继续升高,这种现象可作为冲击中分层扩展的识别方法;由冲击点挠度测量接触力时,为了捕捉到突降信号,采样频率需达到200 k Hz,否则只会得到接触力曲线斜率发生变化的结果。     

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。      

层间颗粒增韧复合材料层压板的损伤阻抗特性

采用热塑性颗粒对HT7/ 5228 、HT3/ N Y9200G和HT3/ 5224 三种高温固化环氧基体复合材料层压板进行层间增韧。为了提高冲击后压缩强度(CAI) 和考察损伤阻抗, 测试了平均分层起始能量e_Ⅱc以及接触力-凹坑深度关系。试验结果表明, 增韧颗粒和基体树脂形成的层间区域能有效地吸收断裂能量并抑制分层的发生, e_Ⅱc显著提高。在静压痕力下, 层间增韧复合材料层压板具有较深的凹坑深度和较小的损伤面积。层间增韧的几何效应、裂纹传播路径控制、颗粒桥联以及裂尖屏蔽是主要的增韧机理, 颗粒的塑性变形和最终失效也耗散了大量断裂能量。      

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。     

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。      

薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击试验

为研究薄面板复合材料蜂窝夹层结构在冲击载荷下的接触力响应和损伤情况,用两种不同质量的冲头对不同面板厚度的复合材料夹层结构进行了多种能量的落锤式冲击试验,并对冲击后的试验件进行了损伤测量。结果表明：冲击能量相对较低时,最大接触力较小,随着冲击能量的增加,最大接触力在增大过程中会出现门槛值,即达到某一值后不再上升。低能量下,冲击损伤表现为面板凹坑和冲击点周围的少量分层,随着冲击能量变大,面板逐渐出现纤维断裂进而被穿透。面板未穿透时,冲头会反弹,接触力-时间曲线的下降段没有台阶,分层区域直径约为冲头直径的1.2倍;面板穿透时,冲头不反弹,接触力-时间曲线下降段出现台阶,分层区域直径约为冲头直径的1.8倍。当最大接触力达到门槛值后,相同冲击能量下,冲头质量越大,冲击持续时间越长,凹坑越深。     

铜离子注入T700/6421复合材料层板低速冲击损伤的研究

对T700/6421复合材料层压板进行铜离子注入,改变其表面性能,使得低速冲击损伤表面目视勉强可检(BVID).用TEM观察离子注入深度、形貌及分布情况,对离子注入前后的复合材料进行了显微硬度的测定,并进行了落锤冲击试验,结果表明:离子注入后的复合材料显微硬度明显增加,受低速冲击后,表面更容易出现深凹坑,表面目视可检损伤更容易实现,冲击后压缩强度增加,从冲击过程的动态力学响应特性可以得知,离子注入后的复合材料受冲击时分层起始载荷有所提高,最大接触力也有相应增加.     

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。     

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。     

Damage tolerance of glass mat/epoxy laminates hybridized with flexible resin under static and impact loading

This study deals with the impact property and damage tolerance of matrix hybrid composite laminates with different laminate constitution. The matrix hybrid composite laminates consisted of the laminae with a conventional epoxy resin and the laminae with a flexible epoxy resin modified from the conventional resin to avoid the interlaminar delamination. The impact energy absorption ratio greatly depended on the matrix resin placed at the impact face. The energy absorption was almost constant if the conventional resin was placed at the impact surface layer, while it increased exponentially with the increasing fraction of the flexible resin if the flexible resin was placed at the impact face. The impact energy was absorbed by the damage development and propagation in the laminate with conventional resin laminae as the impacted face, while it was absorbed by both the recoverable deformation of the flexible resin and the damage propagation in the laminate with flexible resin laminae as the impacted face.     

准静态压痕力作用下复合材料层合板的凹坑深度预测方法

建立了一种在准静态压痕力作用下复合材料层合板凹坑深度的预测方法。首先采用基于应变描述的Hashin 和 Yeh 失效准则并结合有限元法, 对复合材料层合板在准静态压痕力作用下的失效过程进行渐进损伤分析, 获取一系列的材料性能退化信息。其次采用Sun的方法对局部损伤区材料的弹性参数进行等效处理。最后结合Turner的接触理论预测了凹坑深度-接触力曲线。计算结果表明, 基体开裂与分层是导致层合板开始产生凹坑的主要原因, 纤维断裂是导致凹坑深度急剧增加的主要原因。分层起始载荷、 最大接触力及各自相应的凹坑深度的预测结果与试验值具有较好的一致性。      

碳纤维增强树脂基复合材料层合板的损伤阻抗表征

通过落锤冲击试验与准静态压痕试验研究了碳纤维增强树脂基复合材料层合板的损伤阻抗,发现两种试验中,复合材料层合板都具有三个损伤阶段。两种试验都具有两个表征损伤阶段变化的拐点:第一个拐点为分层拐点,表征分层起始;第二个拐点为损伤拐点,表征分层扩展趋于饱和。本文建议利用一个三维坐标点(x,y,z,其中x为第二拐点对应的冲击能量,y为相应的凹坑深度,z为分层投影面积)表示的损伤拐点来衡量材料抵抗冲击的能力,此损伤拐点不仅仅代表了材料抵抗冲击的关键点,也揭示了此时的内部损伤状态。     

Interfacial fracture toughness measurement using indentation

Recent models have been developed for relating fracture toughness to indentation strengths for brittle monolithic materials. Thus, indentation may provide a simple and non-destructive means to measure fracture toughness. The indentation technique is further explored to evaluate the interfacial toughness in this work. When microindentations at loads ranging from 50 g to 4 kg were placed close to the interface of an aluminium/aluminum composite laminate, the interface stayed intact. In contrast, the interface of a niobium silicide/niobium laminate indented under similar conditions was found to debond, indicating a weaker interface. However, a Rockwell indenter at loads ranging from 60 to 150 kg were sufficient to debond the interfaces of two of the aluminum composite/aluminum laminates. Finally, the interfacial toughness is correlated to the indenter load and the delamination length along the interface. A power-law relationship was found between the load and the delamination length.     

A Progressive Damage Model for Predicting Permanent Indentation and Impact Damage in Composite Laminates

In this paper, a progressive damage model was established on the basis of ABAQUS software for predicting permanent indentation and impact damage in composite laminates. Intralaminar and interlaminar damage was modelled based on the continuum damage mechanics (CDM) in the finite element model. For the verification of the model, low-velocity impact tests of quasi-isotropic laminates with material system of T300/5228A were conducted. Permanent indentation and impact damage of the laminates were simulated and the numerical results agree well with the experiments. It can be concluded that an obvious knee point can be identified on the curve of the indentation depth versus impact energy. Matrix cracking and delamination develops rapidly with the increasing impact energy, while considerable amount of fiber breakage only occurs when the impact energy exceeds the energy corresponding to the knee point. Predicted indentation depth after the knee point is very sensitive to the parameter μ which is proposed in this paper, and the acceptable value of this parameter is in range from 0.9 to 1.0.     

Failure mechanisms of laminated composites subjected to static indentation

Quasi-static indentation tests on composite laminates have been performed. Thermal deply and C-scan techniques are used to observe the internal damage characteristics of laminates induced by static indentation. The results indicate that the dent depth increases slowly and almost linearly as the force is lower than its maximum. The observation shows that the damage induced at this loading stage includes matrix cracking and delamination only. Once the force exceeds the maximum, the dent depth increases sharply while the force remains almost unchanged. Deply test results demonstrate that the transition to rapid increase in dent depth is due to the fiber breakage produced at this loading stage. The results also indicate that the damage resistance of a composite laminate can be characterized by the maximum contact force. On the basis of this principle and test results, it is concluded that the damage resistance of toughened composite is much higher than that of brittle one.