复合材料损伤阻抗和损伤容限的性能表征

复合材料结构的设计要求和使用经验提出了复合材料体系损伤阻抗和损伤容限性能表征的需求。在试验研究的基础上，指出长期以来一直使用的CAI(冲击后压缩强度)的物理意义比较含混，不能正确指导材料研究和设计选材，同时提出应分别用典型层压板静压痕力—凹坑深度曲线的最大压痕力Fmax来表征损伤阻抗能性能，用凹坑深度～压缩破坏应变曲线门槛值CAIT(Compression failure strain After Impact Threshold)来表征损伤容限性能，同时给出了测试方法的建议。     

复合材料韧性评定技术的实验研究

指出复合材料层压板的韧性评定应该包括损伤害限和损伤阻抗两方面内容，实验研究发现冲击凹坑深度是反映韧性最敏感的损伤参数，凹坑深度－冲击能量和冲击后压缩性能的关系曲线存在明显的特点特征点；研究指出有可能用静压痕试验方法替落锤冲击方法来预制损伤，并用4特定层复合材料层压板凹坑深度－压痕力曲线拐点处的接触力作为描述其损伤阻抗性能的物理量，用结构典型铺层复合材料层压板凹坑深度－冲击后压缩破坏应变曲线的门槛值作为描述其损伤容限性能的物理量。     

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上不再增加,压缩剩余强度基本上不再降低,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Fmux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。     

复合材料层压板低速冲击和准静态压痕损伤等效性的研究

通过对低速冲击试验和准静态压痕试验进行对比,获得了冲击能量(准静态压痕力)与层压板损伤面积、损伤宽度和凹坑深度的三组对应关系.分析表明,损伤面积、损伤宽度和凹坑深度均可作为损伤参数来建立低速冲击和准静态压痕损伤的等效性.当冲击能量或准静态压痕力达到一定值后,三组对应关系曲线上出现拐点,两类试验的拐点相差很小,且两类试验的变化趋势相同,初步说明了用准静态压痕试验替代低速冲击试验是可行的,同时在较低冲击能量(拐点值之前)下准静态压痕力近似等于相对应的冲击能量下冲击过程的最大接触力.对两类试验过程进行分析,准静态压痕试验的初始分层载荷较冲击试验稍低,但两类试验过程中载荷的变化趋势相同,进一步说明了低速冲击试验和准静态压痕试验损伤的等效性.     

T800级碳纤维复合材料抗冲击性能

对相同铺层比例、不同厚度的A,B,C三组T800级碳纤维复合材料层板进行多种冲击能量的冲击实验,测试冲击后凹坑深度、剩余压缩强度及压缩破坏应变等性能。结果表明:复合材料的冲击能量-凹坑深度曲线和凹坑深度-剩余压缩强度曲线均存在拐点,A组拐点位置为0.70 mm,B组拐点位置为0.76 mm,C组拐点位置为0.45 mm,均小于目视勉强可见冲击损伤(BVID)对应的凹坑深度(1.3 mm);同一铺层比例下,复合材料层合板厚度越大,其抗冲击损伤性能越好。     

复合材料抗冲击性能和结构压缩设计许用值

 从复合材料结构压缩设计许用值的概念和复合材料的冲击后压缩强度性能出发，讨论按NASA标准得到的CAI值与它们的关系，指出传统的CAI值不能充分反映复合材料体系的抗冲击性能，且与结构压缩设计许用值无任何联系。在对复合材料结构完整性要求和作者的试验研究，和对国外文献总结的基础上，提出复合材料抗冲击性能应包括损伤阻抗和损伤容限两方面。大量的试验数据证实复合材料层压板抗冲击性能存在拐点现象，在对拐点附近复合材料层压板的破坏机理研究基础上，建议用拐点附近的性能建立复合材料层压板抗冲击性能的评定体系，即可以用表面层在冲击下保持其完整性的最大能力(最大接触力)来表征复合材料体系的损伤阻抗(韧性)；用出现拐点后基本不变的压缩强度(破坏应变)门槛值来表征复合材料体系的损伤容限。     

低速冲击与准静态压痕力下复合材料层合板的损伤等效性

低速冲击与集中准静态压痕(QSI)力对复合材料层合板所造成的损伤具有等效性。通过两类损伤方式对比试验,获得了冲击能量(或准静态压痕力)与层合板损伤面积、损伤宽度和凹坑深度3组对应关系。3组关系的对比分析表明,凹坑深度是表征损伤的最佳参数,因此将凹坑深度作为损伤参数来建立落锤冲击损伤与准静态压痕力损伤间的等效关系。发现拐点是层合板纤维和基体整体抵抗冲击(或准静态压痕力)能力的最大值,两类试验的拐点相差很小,且两类试验变化趋势相同,说明了用集中准静态压痕试验取代落锤低速冲击试验是可行的。对相同凹坑深度下的冲击能量与准静态压痕力进行了数值分析,并提出了冲击能量与准静态压痕力间的等效性公式。研究表明,文中建立的等效性公式能够很好地反映落锤冲击能量与准静态压痕力之间的关系,可为今后由集中准静态压痕试验代替落锤冲击试验提供理论支持。     

结构设计许用值和复合材料抗冲击性能的评定

从复合材料结构设计许用值的概念和复合材料的冲击后压缩强度性能出发，讨论了按NASA标准得到的CAI值与它们的关系，指出了传统的CAI值不能充分反映复合材料体系的抗冲击性能。且与结构压缩设计许用值无任何联系。在对复合材料结构完整性要求和作者的试验研究，和对国外文献总结的基础上，提出复合材料抗冲击性能的评定应包括损伤阻抗和损伤容限两方面。大量的试验数据证实复合材料层压板抗冲击性能存在拐点现象，在对拐点附近复合材料层压板的破坏机理研究基础上，建议用拐点附近的性能建立复合材料层压板抗冲击性能的评定体系，即可以用表面层在冲击下保持其完整性的最大能力（最大接触力）来表征复合材料体系的损伤阻抗（韧性）；用出现拐点后基本不变的压缩强度（破坏应变）门槛值来表征复合材料体系的损伤容限。     

复合材料层压板冲击后压缩研究

针对同一种材料组成、不同铺层的复合材料层压板,研究了低速冲击后,层压板压缩性能。结果表明:层压板在受冲击后的压缩破坏模式为穿过损伤区中间的压缩破坏(LDM~①)。凹坑深度-冲击能量曲线和冲击后压缩破坏应变-凹坑深度曲线均在凹坑深度1.0mm附近出现了拐点现象。取凹坑深度在1.0mm附近试件的破坏强度和破坏应变的平均值,即为三种铺层的层压板的冲击后压缩强度值和破坏应变值。     

复合材料层板冲击损伤特性及冲击后压缩强度研究

对两种材料体系(T300/QY8911和T300/5405)/铺层的复合材料层板进行三种支持条件(冲击点无支持、梁凸缘或长桁凸缘支持和肋凸缘支持)、六种冲击能量等级的冲击损伤特性及冲击后压缩强度试验研究。讨论了冲击能量、支持条件等与冲击损伤特性和剩余压缩强度的关系,研究结果表明,冲击表面凹坑深度和冲击损伤面积可用于表征复合材料冲击损伤,而基体裂纹长度不可以用于表征冲击损伤。且随着冲击点背面支持刚度的增加,冲击所造成的损伤随之减小。随着冲击能量的增加,冲击后压缩强度随之减小。在相同的冲击能量作用下,随着冲击点背面支持刚度的增加,冲击后压缩强度也随之增加。     

复合材料韧性评定的新方法关于损伤阻抗性能的研究

从复合材料结构设计的角度，指出了目前在韧性复合材料评定技术中存在的问题，特别是指出了用冲击后压缩强度值作为判别复合材料韧性的缺点，提出了应采用损伤阻抗和损伤容限共同评定复合材料韧性的观点。对7种不同韧性的复合材料进行了冲击与静压痕等试验，在对试验数据分析的基础上，确定了对损伤阻抗最敏感的损伤参数，提出了描述损伤阻抗的物理量和测试方法。     

复合材料层合板低速冲击后的弯曲试验研究

对冲击后的5224/CF3052平面织物复合材料层合板进行了四点弯曲试验.分析了层合板在不同冲击能量下的损伤阻抗,包括:凹坑深度、损伤宽度和损伤面积;探讨了层合板在冲击和冲击后弯曲试验过程中的损伤过程、特征和机理;研究了凹坑深度对冲击后层合板弯曲性能的影响规律.结果表明:冲击试验时的冲击能量和损伤宽度,损伤面积无必然联系;层合板的弯曲性能主要受材料的拉伸性能控制;弯曲破坏时,层合板侧面的分层主要集中在受拉面一侧;当对受弯矩作用的复合材料结构进行强度设计时,有必要考虑冲击损伤导致的弯曲剩余强度降低;和冲击后压缩试验结果类似,凹坑深度与冲击后弯曲剩余强度,弯曲剩余模量的关系曲线存在拐点现象.     

复合材料结构设计值和冲击损伤容限许用值

 由于复合材料的引入,应该用“设计值”和“许用值”来代替“设计许用值”。讨论了设计值与许用值的关系,并指出复合材料结构压缩设计值主要取决于冲击损伤容限许用值。提出了应把冲击损伤破坏曲线定义为初步设计阶段用冲击损伤容限许用值,论证了这一定义的合理性,并给出了由该许用值确定压缩设计值的一般原则和过程。     

复合材料冲击损伤阻抗性能的试验研究

通过对多种复合材料体系试样的冲击阻抗试验研究,发现对同一种复合材料层压板的冲击能量-凹坑深度曲线均存在拐点.其物理本质是在出现拐点后内部的分层损伤叠加面积基本上不再增加,其力学性能表现为压缩剩余强度基本上不再降低,其表观现象是表面冲击部位开始出现纤维断裂.     

含冲击损伤复合材料加筋层板压缩剩余强度

将复合材料加筋层板受低速冲击后的损伤区域描述为一个椭圆形弹性核,材料在核区的弹性模量下降由冲击表面的凹坑深度确定。利用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元来模拟含损伤区域,杆单元来模拟筋条,钉单元模拟铆钉（胶层）和常规8节点等参单元模拟其余无损区域,建立起含低速冲击损伤复合材料加筋层板的力学响应分析方法。利用基于特征曲线概念的点应力判据、最大正应力判据和最大剪应力判据分别预测蒙皮的破坏、筋条的破坏和铆钉（胶层）的破坏,从而预测加筋层板在压缩载荷下的剩余强度,获得了与试验相吻合的结果。最后讨论了损伤尺寸、损伤形态、铺层比例等参数对加筋层板剩余强度的影响。     

复合材料盒段耐久性损伤容限试验研究

以冲击损伤容限设计思想为基础,按冲击压缩破坏曲线的门槛值确定设计许用值进行设计的复合材料结构,一般认为“静力覆盖疲劳”和“损伤不扩展”的结论成立,DAC8号复合材料机翼的设计遵循了这一设计思想。为验证上述结论选取复合材料机翼主受力盒段即油箱盒段,进行了耐久性损伤容限试验研究。结果表明,引入8～15J人工冲击损伤4处,并在1.15倍加重谱下进行了2倍寿命耐久性试验和2倍寿命损伤容限试验的结构,其剩余承载能力仍达到无损结构承载能力的80％以上,且试验过程中和试验结束后的无损检测均未发现预制的人工损伤发生扩展,证实了“静力覆盖疲劳”和“损伤不扩展”结论的正确性。     

用于飞机的碳纤维复合材料──东丽卡P2302预浸料

用于飞机的碳纤维复合材料──东丽卡Ｐ２３０２预浸料波音公司为将复合材料用于飞机承力结构，制订了以抗冲击性能为重点的复合材料规范，提高了损伤容限指标，要求冲击后的压缩强度（ＣＡＩ）约为已有材料的两倍。要满足这一要求，一方面要提高增强体纤维本身的强度，另...     

复合材料结构设计许用值和韧性树脂评定技术

从复合材料结构设计的角度，详细分析了迄今为止结构设计师和材料科学家在提高结构设计许用值方面所作出的努力，指出了目前在韧性树脂评定技术中存在的问题，特别是指出了用CAI值判别树脂韧性的缺点，提出了应采用损伤阻抗和损伤容限共同评定树脂韧性的观点和应开展的研究工作。同时提出了提高结构设计许用值的新途径，即采用损伤容限可靠性设计与分析的方法，特别提出可用结构受到的冲击威胁分布，来代替目前复合材料结构损伤容限要求中的初始冲击损伤尺寸假设。初步的研究结果表明，采用这种方法有可能大大提高结构设计许用值。     

复合材料层合板低速冲击损伤方法研究

在试验的基础上,分析了冲击能量与凹坑深度之间的关系,拟合出了冲击能量与凹坑深度曲线方程。曲线方程表明,凹坑深度的变化是与冲击能量的变化过程相适应的,从而在凹坑深度已知的情况下可以计算得到层合板所受的外载,有此外载从便对层合板进行相应的模拟。利用AN-SYS有限元程序对复合材料层合板横向低速冲击进行了模拟,模拟采用瞬态分析方法。对冲击后的试件进行了C扫描,在此基础上对损伤的分布形式及大小做了详细的分析。计算结果和试验结果表明,方法是可行的,拟合曲线是正确的,且适合于层合板冲击后的损伤评估。     

复合材料加筋板冲击后损伤容限研究

研究复合材料加筋板受冲击后的损伤演化具有较高的工程应用价值。首先,以某型无人机拟应用的复合材料加筋壁板(T300/BA9913)为研究对象,对其进行低速冲击试验;在壁板中央处和肋与壁板胶结处进行冲击,其冲击能量取6.67 J/mm,测量凹坑深度和分层损伤面积。然后,应用商业软件ABAQUS,编写相应的VUMAT子程序对冲击损伤进行模拟,软件中采用适宜的材料模型、单元种类并建立不同属性的接触,把基于应变的三维Hashin准则运用于复合材料单层板的损伤失效准则中去。最后,运用基于断裂韧度的连续的刚度退化方针对材料的刚度折减。将所建立的冲击模型的模拟结果与冲击试验数据进行对比,证明了冲击模型的有效性和准确性。