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。     

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。     

评定复合材料抗冲击和损伤性能的研究

长期以来，一直采用CAI(冲击后压缩强度)来评定复合材料抗冲击和损伤的能力，大量实验数据证实，它是个物理意义比较含混的力学量，不能正确指导材料研究和设计选材。研究表明，复合材料结构的抗冲击耐久性和含冲击损伤的损伤容限分别对应于材料体系的损伤阻抗和损伤容限，并可以分别用对应静压痕力～凹坑深度曲线拐点的压痕力Fknee,和凹坑深度～压缩破坏应变曲线门槛值CAIT(Compression failure strain After Impact Threshold)来表征。     

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.     

复合材料层压板冲击后压缩剩余强度的统计分析与可靠性评估

通过对T300/5405复合材料层压板的冲击后压缩强度试验数据的统计分析,指出冲击后压缩剩余强度符合Weibull分布。在此基础上,通过引入冲击威胁的概念,对T300/5405复合材料层压板进行了冲击损伤容限可靠性分析。研究表明,通过在可靠性分析中引入了冲击威胁的概念,可以较充分地发挥复合材料层压板的损伤容限性能。     

湿热谱老化对复合材料层压板强度的影响

通过湿热谱老化试验,研究了湿热谱老化对复合材料层压板拉伸和冲击后压缩（CAI）强度的影响。试验结果表明,湿热老化引起严重的强度降,特别是冲击后压缩强度。老化后损伤面积不扩展或扩展很小。     

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。     

复合材料飞机结构强度新规范要点评述

基于过去20多年参与复合材料结构设计的经验教训和美国最新的军用飞机设计规范,阐述了中国复合材料结构强度设计和验证要点及与金属结构的差别。其要点为:以承认性能表征多样性和材料与结构同时形成为基础的材料和工艺要求;以承认初始缺陷/损伤对结构静强度有影响为基础的设计许用值确定方法;以需要特别考虑湿热环境影响为特点的静强度设计和验证;以承认静力覆盖疲劳和考虑冲击损伤阻抗为特点的耐久性设计和验证;以冲击损伤及损伤无扩展为基础的损伤容限设计和验证;以全尺寸部件和由试样、元件(包括典型结构件)、组合件组成的多层次积木式设计验证方法相结合为基础的结构验证试验。     

复合材料盒段静力,耐久性和损伤容限一体化试验研究

本文通过某军机机翼整体油箱盒段在国内首次成功地完成了静力、耐久性和损伤容限一体化试验,给出了一整套符合结构完整性大纲要求的验证技术和工程上实用的试验程序;探索了试件上预制模拟各种低速冲击的人工损伤对复合材料结构静力、耐久性和损伤害限特性的影响程度;证实了用加重谱进行复合材料结构耐久性和损伤容限试验是解决复合材料疲劳分散性的有效技术途径;证明了复合材料盒段在引入冲击损伤后用加重谱进行耐久性试验,其密封功能仍满足国军标要求;验证了以冲击压缩破坏曲线的门槛值为基础确定设计许用应变值进行设计的复合材料结构具有“静力覆盖疲劳”和“损伤不扩展”特性。同时指出了该设计思想的保守性和局限性,提出了更新上述设计思想的研究方向。     

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...     

复合材料飞机结构材料和设计许用值的确定方法

分析国内外复合材料飞机结构材料许用值、设计许用值的确定原则和方法,研究给出了复合材料结构材料许用值的表征和应用、试验以反试验数据的统计分析方法,以及静强度、疲劳强度、损伤容限和修理设计许用值的确定方法.     

含缺陷复合材料层压板的压缩破坏机理

 本文综述了含缺陷(包括孔及冲击损伤)复合材料层压板在压缩载荷作用下的破坏机理及破坏模式,特别是对层压板构成最大威胁的低能量冲击损伤机理及压缩破坏模式作了比较深入的论述,总结出了四种破坏模式,并从分层断裂力学的观点出发给出了解决含低能量冲击损伤层压板的压缩剩余强度估算的途径。     

低成本全厚度缝合的复合材料泡沫夹层结构效率评定

探索了全厚度缝合的复合材料闭孔泡沫夹层结构低成本制造的工艺可行性及其潜在的结构效益。为了比较，用同样的材料和工艺制造了未缝合泡沫夹层和密度相近的Nomex蜂窝夹层结构。完成了密度测定、三点弯曲、平面拉伸和压缩、夹层剪切、结构侧压和损伤阻抗／损伤容限实验研究。结果表明，泡沫夹层缝合后，大大提高了弯曲强度／重量比、弯曲刚度／重量比、面外拉伸和压缩强度、剪切强度和模量、侧压强度和模量、CAI强度和破坏应变。这种创新的结构形式承载能力强、结构效率高、制造维护成本低，可以在飞机轻质机体结构设计中采用。