复合材料层合板抗冲击击损伤的参数表征

研究了铺层方式为「０２／９０２／４５２／－４５２」Ｓ的航空用碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ）准各向同性层合板板速冲击引起损伤的表征问题，通过落重冲击试验引入损伤程度Ｄ表示材料低速冲击后材料参数的变化大小，通过准静态球面弯曲线试验提出复合材料层合板抗冲击的三种表征参数：层内开裂临界能Ｅ１ｃ，层间开裂（分层）临界能Ｅ２Ｃ，分层扩展阻为Ｒ。     

复合材料层合板低速冲击损伤影响因素分析

运用ABAQUS软件对复合材料层合板低速冲击下的损伤状态进行模拟,采用单一变量法,以损伤面积为表征参数,针对影响低速冲击下复合材料层合板损伤性能的诸多因素进行分析,以便在材料研制的初期预见其损伤阻抗.分层损伤是层合板低速冲击下的主要损伤形式之一,基于损伤力学、断裂力学和黏性理论,建立零厚度的三维界面单元来精确模拟层间分...     

复合材料层合板结构冲击损伤数值模拟的损伤力学模型

针对复合材料结构低速冲击损伤问题,基于连续损伤力学提出了一种动力学冲击条件下的三维损伤数值模型。模型中区分了层内损伤（纤维拉伸与压缩失效、纤维间拉伸与压缩失效）和层间分层损伤不同的失效模式。采用三维Puck失效准则与考虑压缩抑制效应的Aymerich准则对上述两类损伤进行判定,材料失效后基于连续损伤力学中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型中考虑了复合材料层合板结构中子层的就位效应和损伤分析中的“连锁效应”。通过对Shi的冲击试验进行数值模拟,模型预测的冲击接触载荷、分层形状和尺寸与试验结果吻合较好,证明了所提出的数值模型对复合材料层合板结构低速冲击损伤预测的有效性。     

CFRP层板的落重冲击分层损伤研究

采用落重冲击试验方法研究了航空上常用的铺层形式为［Ｏ２／９Ｏ２／４５２／－４５２］ｓ的先进复合材料（ＣＦＲＰ）低能冲击损伤问题。重点讨论了落重冲击后分层损伤形貌、冲击能量Ｗ与分层面积Ａ之间的关系以及基体韧性对ＣＦＲＰ抗冲击性能影响。     

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。     

SACMA和QMW试验方法对复合材料层合反低速冲击后压缩行为的影响

采用了SACMA标准和一种小试样试验方法对复合材料层合板低速冲击后的压缩（CAI）行为进行试验研究，从层合板的冲击损伤分布、冲击后压缩破坏过程，以及层合板的准静态横向压缩、开孔后压缩等多方面进行对比，结果表明，这两种试验方法存在很大差别，试验方法不同，层合板低速冲击后的压缩行为也不同；采用SACMA标准所测得的低速冲击后压缩强度更能全面反映基体韧性的优劣。作为CAI试验标准，小度样试验方法还有待改进。     

含冲击损伤复合材料层合板疲劳试验研究

针对两种不同铺层顺序的T300／BMP316复合材料层合板，进行了低速冲击后不同应力水平下的等幅拉一拉疲劳试验。结果表明：低速冲击后，材料疲劳寿命的对数与应力水平成线性关系；在低应力水平下，层合板的主要疲劳损伤模式为分层，而在高应力水平下，其主要疲劳损伤模式为纤维断裂；随着疲劳应力水平的降低，层合板内损伤面积增加且刚度退化幅度变大。     

SACMA和QMW试验方法对复合材料层合板低速冲击后压缩行为的影响

采用了 SACMA标准和一种小试样试验方法对复合材料层合板低速冲击后的压缩 (CAI)行为进行试验研究 ,从层合板的冲击损伤分布、冲击后压缩破坏过程 ,以及层合板的准静态横向压缩、开孔后压缩等多方面进行对比 ,结果表明 ,这两种试验方法存在很大差别 ,试验方法不同 ,层合板低速冲击后的压缩行为也不同 ;采用 SACMA标准所测得的低速冲击后压缩强度更能全面反映基体韧性的优劣。作为 CAI试验标准 ,小试样试验方法还有待改进     

含低速冲击损伤层合板的压缩破坏研究

层合板低速冲击后的压缩破坏研究对于复合材料结构设计具有重要意义.按照ASTM D 7136、D 7137试验标准对CCF300/5228层合板进行低速冲击和压缩试验;基于累积损伤理论,以低速冲击数值仿真得到的损伤作为初始损伤,结合应变失效准则和材料性能退化方法,建立含低速冲击损伤层合板的压缩破坏分析模型;使用该模型研究CCF300/5228层合板的损伤演化过程和剩余压缩强度.结果表明：该模型能够较好地解释试验过程中的损伤现象,预测含冲击损伤层合板的剩余压缩强度;损伤扩展和破坏模式与试验结果一致性好.     

缝纫对复合材料层合板强度和抗冲击性能的影响

主要研究了缝纫对复合材料层合板的强度和抗冲击性能的影响。通过对不同缝纫密度、缝纫方向、缝线材料和缝线直径的试件进行试验研究 ,分析了缝纫参数对层合板的压缩强度、层间剪切强度、断裂韧性 GIC和 GIIC、低速冲击损伤以及冲击后压缩 ( CAI)强度的影响。结果表明 :缝纫使层合板的 GIC和 GIIC有明显提高 ;随缝纫密度的增大 ,层间剪切强度和 CAI强度有显著提高 ,冲击分层损伤面积有一定程度的减小 ;但它们与缝线的直径关系不大。     

层合板干涉螺接分层损伤及其临界干涉量

复合材料层合板的干涉配合连接具有优越的性能,是飞机复合材料结构连接的发展趋势。然而,层合板在干涉连接过程中易出现分层损伤。针对以上问题,采用理论建模与有限元模拟方法研究了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板干涉螺接过程中的分层损伤及其临界干涉量。首先,对CFRP层合板的干涉螺接工艺过程和分层损伤进行力学行为分析;然后,基于虚功原理,建立了各层界面的分层损伤临界轴向力计算模型,结合插钉力与干涉量间的关系,建立临界干涉量的预测模型,求得分层损伤的临界干涉量;最后,采用ABAQUS有限元软件对CFRP层合板干涉螺接过程进行数值模拟,应用内聚力单元建立层合板层间界面,模拟了CFRP层合板在不同干涉量时的分层损伤机理,并通过扫描电子显微镜(SEM)实验观测了细观分层损伤。研究结果显示:干涉量是影响CFRP层合板分层损伤的主要工艺参数;层合板中越靠下边的层间界面,其不产生分层损伤的临界轴向力和临界干涉量越小,即越容易产生分层损伤。     

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接接头抗冲击性能

为了研究Z-pin增强树脂基复合材料接头的抗冲击性能,制备了Z-pin增强单搭接接头冲击试样。对比不同树脂体系Z-pin/层合板界面裂纹扩展,分别通过Z-pin拔脱试验和接头剪切试验研究Z-pin冲击后拔脱强度和单搭接接头冲击后剪切强度;结合有限元模拟和超声C扫描研究搭接面分层损伤情况。结果表明,相同冲击能量下,环氧Z-pin/环氧层合板界面抗冲击性更强,冲击能量越大,裂纹扩展越显著;Z-pin增强树脂基复合材料显著减小分层损伤面积,提高冲击后剪切强度,体积分数为1.5%、直径为0.5mm的Z-pin增强层合板分层损伤面积仅为40%,冲击后剪切强度的下降率仅为24.89%。随着Z-pin体积分数增加,搭接面损伤面积逐渐减小,冲击后剪切强度先增加后降低;随着Z-pin直径增加,层间损伤面积增加,冲击后剪切强度逐渐降低。Z-pin增强接头分层损伤模型模拟结果与试验结果基本吻合。      

纤维增强复合材料层合板分层扩展行为研究进展

纤维增强复合材料层合板在航空航天等领域被广泛应用,分层损伤是层合板主要的损伤形式,一直是复合材料力学研究的焦点问题之一。本文从试验研究、理论分析和数值模拟3个方面对国内外在纤维增强复合材料分层问题所取得的研究成果进行了系统综述,重点介绍了单向复合材料I型、Ⅱ型和I/Ⅱ复合型层间断裂韧性测试方法和原理以及多向层合板分层扩展行为的试验研究。得到了表征和评价分层失效机理和扩展行为的纤维桥接模型、静力分层扩展准则和疲劳分层模型,并详细阐述了采用内聚力模型（CZM）、虚拟裂纹闭合技术（VCCT）和扩展有限元方法（XFEM）等先进数值方法模拟分层扩展的研究现状。最后,对复合材料层合板分层扩展研究的发展方向进行了展望。     

航空发动机复合材料机匣弹道冲击特性

为获得复合材料作为风扇包容机匣时遭受叶片冲击载荷时的动态响应、损伤与失效模式,在空气炮装置上使用叶片形弹体对Kevlar织物层合板开展了弹道冲击试验,结果发现:复合材料靶板厚度提高25%,复合材料靶板吸收的能量提高约92%;随着叶片弹体速度的增加,复合材料靶板的损伤破坏逐渐严重,从轻微的压痕,转变为横向和纵向裂纹与分层损伤,再转变为矩形穿孔,同时靶板背面出现纤维断裂、纤维拔出与分层失效等现象;在叶片弹体撞击下,靶板上在与弹体接触的局部区域形成鼓胀变形,并在弹体击穿或反弹后发生变形回复;叶片弹体的横滚角将导致叶片的作用范围增大,使得靶板抗冲击性能有所提高。      

Parameter studies and evaluation principles of delamination damage in laminated composites

Delamination represents one of the most severe failure modes in composite laminates, especially when they are subjected to uniaxial compression loads. The evaluation of the delamination damage has always been an essential issue of composite laminates for durability and damage tolerance in engineering practice. Focusing on the most typical and representative elliptical delamination issue, an analytical model simultaneously considering the conservative buckling process and non-conservative delamination propagation process is implemented. Various computational cases considering different delamination depths, directions, aspect ratios, and areas are established, and the predicted results based on the analytical model are carefully compared. Effects of these geometrical delamination parameters on the buckling, delamination propagation, and failure behaviors of composite laminates are thoroughly analyzed, and innovative evaluation principles of the delamination damage have been concluded. It is found that the delamination area is the key factor that truly affecting the failure behaviors of delaminated composites, and the local / global buckling and failure loads show clear linearity with the delamination area, whilst the delamination depth and direction only have slight effects.     

二维叠层C/SiC复合材料低能量冲击损伤实验

C/SiC复合材料是航空航天器中的耐高温材料,其服役环境存在低能量冲击源且关于此类冲击事件的研究相对较少。本文主要采用落锤冲击系统性地揭示2D叠层C/SiC复合材料平板的抗低速低能量冲击性能,通过改变冲击能量考核不同单层厚度和平板厚度的抗冲击性能变化,并利用CT技术进行冲击后无损检测,分析结构内部细观损伤。结果表明：冲击载荷下,C/SiC复合材料按冲击载荷变化可分为线性、屈服和回弹3个阶段;典型冲击损伤形式包含局部压溃、分层、纤维断裂及基体微裂纹;同等结构厚度,单层厚度越大C/SiC复合材料平板冲击变形和冲击损伤越小,冲击阻抗值越高;同等单层厚度下,结构总厚度较大的C/SiC复合材料平板冲击损伤较小,冲击阻抗较大。因此,C/SiC复合材料的预制体层数与结构厚度对低能量冲击源较为敏感,且减小单层厚度及增加结构总厚度可明显提高其抗冲击性能。     

混合机织复合材料低速冲击损伤有限元分析

将二维机织碳布和单向碳布预浸料按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点.采用基于三维非协调层合元的动力学有限元分析方法,对由二维机织缎纹碳布和单向碳布混合铺设而成的复合材料层合板进行了低速冲击有限元计算分析.针对二维机织碳布的特殊力学性质,提出了修正的分层扩展判据,建立了低速冲击损伤面积的分析方法.在不同冲击能量下,针对不同铺层结构和厚度的计算结果与试验结果皆吻合的很好.分析结果表明,由于分层破坏机理不同,加入机织铺层后能够有效降低低速冲击导致的分层损伤.     

碳纤维复合材料超声扫描分层检测及评价方法

由于碳纤维增强复合材料（CFRP）具有各向异性的特点,在其钻削加工中极易形成分层、撕裂以及毛刺等加工缺陷,而分层对碳纤维层合板构件的性能影响最大,因而建立一套准确的针对分层缺陷的检测、描述以及评价方法对层合结构碳纤维复合材料的有效应用具有重大意义。从分层缺陷的形成机理出发,通过对现有分层缺陷的检测以及评价体系的分析,提出了基于高频超声扫描显微镜（SAM）来进行分层缺陷检测评价的三维体积分层因子评价方法,并针对T800/X850碳纤维单向层合板对该方法进行了定征试验,最后通过对实际加工孔的分层缺陷的评价,综合对比了三维体积分层因子评价方法与传统评价方法的应用效果。结果表明：分层缺陷是由力热耦合引起的层间粘结失效,出口处更为严重;用超声扫描显微镜检测分层,可检测不少于8层的碳纤维复合材料,至少可以清晰表达5层的内部分层特征;分层会发生隔层传播,并且两个相邻铺层为同向的层间结合强度最好,不易产生隔层传播;三维体积分层因子可以更准确清晰地评价复合材料层合结构的内部缺陷。     

Low-velocity impact response and infrared radiation characteristics of thermoplastic/thermoset composites

The low-velocity impact response and infrared radiation characteristics of composites have rarely been focused on simultaneously. This study aims to investigate the low-velocity impact response and infrared radiation characteristics of the glass fiber reinforced thermoplastic polypropylene and carbon fiber reinforced thermosetting epoxy resin laminates wildly used in the aircraft industry. The impact tests were conducted at five energy levels. Characterization parameters such as impact load, dis...