CFRP层合板低速冲击损伤研究现状.pdf

2022.12百家博采百家博采一、CFRP层合板介绍CFRP层合板一般是由预浸料按照预先设计的铺层方向进行铺层，接着放进高温和高压环境下进行固化成型1。其中，热固性基体树脂对于整个结构有着粘结和荷载传递的功能，由于层合板的相邻层之间没有纤维增强，导致厚度方向和层间强度较低。异物(如跑道碎屑和掉落的工具)在平面外的冲击，可能会发生在复合材料结构的制造、运行、维护和维修过程中，这种损坏的严重后果是留下的损坏几乎无法通过肉眼检查来发现，这种类型的损坏称为几乎不可见的冲击损坏(BVID)，如果此结构继续使用，内部损伤便会扩展，从而造成材料的大范围内损伤。由于复合材料的两个实体(即纤维和环氧树脂)的固有脆性，与常规金属结构相比，复合材料结构更容易受到冲击破坏，并且在复杂的损坏模式下会失效，这是因为不同类型的损坏模式(包括纤维、基体损伤和分层)之间的相互作用导致的。在所有类型的损伤中，分层是主要的破坏模式，当结构处于压缩载荷下时，其压缩剩余强度一般只有未损伤材料的602-4。一般地，当基体裂纹的尖端传播到脆性界面时，会在该区域引起应力集中现象，如果此时界面的相邻铺层是不同方向，便会产生分层。因此，研究CFRP层合板在低能量冲击下的损伤，寻找并建立适合工程实际的有限元模型，预测层合板的起始损伤萌生以及扩展到破坏失效，这对合理评估复合材料结构的损伤容限、优化构型和缩短设计周期，具有重要的意义。二、CFRP层合板冲击试验方法目前研究CFRP层合板低速冲击损伤大部分以落锤冲击试验来进行研究，其试验标准主要有美国复合材料协会的ASTM D7136，波音公司的 SACMA SRM 2-88，中国航空工业协会的HB6739-1993等。而运用最广泛的是ASTM D71365标准，其冲头一般是半球形，被冲击式样尺寸是 150mm100mm，通过调整冲头的高度来模拟不同的低能量冲击，常见的是中心面内冲击，如图1所示。图1 冲击示意图当CFRP层合板结构受到低能量冲击时，一般地，会产生四种主要的损伤形式6(见图2)。接触应力和基体裂纹：在冲击过程中，当接触应力超过基体材料的强度时，第一层会产生基体裂纹，并在很短时间范围内随着载荷的增加而逐渐增加，接着基体便会发生垂直于纤维方向的裂纹。冲击产生的弯曲或剪切应力波会导致基体开裂。图2(a)和(b)显示了低速冲击过程中的接触应力和基体裂纹的形成。分层：损伤见图2(c)，分层会发生在低能量和高能量冲击下，并且损伤发生在层合板内部。当应力达到特定值，分层会扩展到周围界面，这些分层损伤严重降低了复合材料的抗压强度。纤维断裂：损伤见图2(d)，层合板产生基体开裂及分层后，额外的冲击能量被纤维损伤的形成所吸收，最终导致纤维断裂。图2 CFRP层合板低速冲击损伤的四种机制通过对于CFRP层合板低速冲击的研究，许多学者得出以CFRP层合板低速冲击损伤研究现状徐姚兴 付高峰（商丘工学院机械工程学院 河南 商丘 476000）【摘要】CFRP层合板由于具有比强度高、比刚度高、优异的疲劳强度、良好的耐腐蚀性和低导热性，已广泛用于航空航天、高速列车等领域中。但由于层合板材料结构的特殊性，其抗冲击性能比较差，在制造、运行、维护和维修过程中难免会发生异物(如跑道碎屑和掉落的工具)在平面外的冲击，虽然材料表面没有明显的损伤可见，但其内部可能已经出现了分层、脱粘等形式的损伤，严重降低材料的综合性能，进而对材料的安全性有严重的影响。本文针对近年来CFRP层合板冲击损伤进行了综述和回顾，介绍了试验方法、模拟计算方法、层合板损伤性能表征方法。【关键词】CFRP层合板；低速冲击；冲击损伤；复合材料【作者简介】徐姚兴，硕士，助教，研究方向：复合材料冲击损伤。【中图分类号】TB3【文献标识码】A【文章编号】1671-0633（2022）24-000133-031332022.12百家博采百家博采下结论：(1)即使在低能量的冲击下，复合材料也极易受到横向载荷引起的内部损伤。面外冲击会导致弯曲变形，这会在复合材料结构上引入剪切、拉伸和压缩应力，复合材料表面在目视检查中可能看起来没有发生损坏；(2)层合板受到冲击时，内部分层只发生在相邻层纤维方向不同的界面，并且分层损伤的形状为花生壳状；(3)冲击损伤的初始模式取决于各种因素，如材料特性、边界条件、冲头形状、试验件形状和加载条件；(4)冲击的位置不同，层合板发生的损伤模式有着很大的不同。三、CFRP层合板冲击损伤分析理论目前，对于复合材料在工程实际应用的受力分析，大多学者主要采用的是三维渐进损伤方法，通过这种方法可以比较清楚地了解层合板产生损伤后的应力重新分布情况以及其损伤缓慢发展的过程。三维渐进损伤分析方法一般由应力分析和失效分析两部分组成。应力分析就是通过经典的复合材料层合板理论来进行有限元模拟分析，而失效分析一般是确定复合材料的失效判据以及刚度退化方案，模拟纤维损伤断裂、基体损伤断裂和分层破坏。（一）纤维损伤基于应力描述的三维Hashin失效准则7来对纤维损伤进行判断，具体失效判据如下：纤维断裂(10)22213112T12131XSStst+(1)纤维压缩(10)21C1Xs(2)（二）基体损伤基体开裂(2+20)222223132323122T1213231YSSSsstts st+-+(3)基体挤压(2+20）222222313232323C12212121323C12111144YSSSSYSsstts ssst+-+-(4)（三）层间损伤22231323T13231ZSSstt+=(5)其中：i、i表示各单元方向与之相对应的应力分量；XT、XC、YT、YC、ZT分别表示纤维方向极限拉伸强度、纤维方向极限压缩强度、垂直纤维的方向极限拉伸强度、垂直纤维的方向极限压缩强度、厚度方向的极限拉伸强度；Sij表示ij面内的极限强度。上述只要某一单元的应力满足上面（15）式之一，则该单元就发生了对应的失效模式。（四）材料损伤退化方案CFRP层合板满足上述损伤判据方程之后，就需要对材料相关参数进行折减。一般地，参数退化方案有三种：(1)材料损伤之后相关的参数进行倍速折减；(2)材料参数通过指数函数进行折减；(3)基于断裂韧性退化。目前，Camanho退化方法8是常用的材料参数折减方案，具体过程如下：纤维断裂：E11=FfE11纤维压缩：E11=FfcE11基体开裂：E22=FmE22，G12=FmG12，G23=FmG23基体挤压：E22=FmcE22，G12=FmcG12，G23=FmcG23其中：Ff=0.07；Ffc=0.14；Fm=0.2；Fmc=0.4。四、CFRP层合板低速冲击后压缩剩余强度研究一般地，对含冲击损伤的复合材料进行压缩破坏试验，所得到的最大压缩强度即压缩剩余强度(Compression AfterImpact,CAI)表征。CFRP层合板的压缩剩余强度的研究也是许多国内外学者研究的热点问题。冲头的形状，层合板铺层方式也会影响着压缩剩余强度。Koo等9通过层合板低速冲击与压缩剩余强度试验，得到了以下结论：冲头极大地影响了复合材料层合板的压缩剩余强度。随着半球形冲头的直径从15.8mm增加到25.4mm，层合板的压缩剩余强度急剧下降。压缩剩余强度的降低是由于冲头半径的增加导致损坏面积的增加。Sanchez-Saez等10通过层合板低速冲击与压缩剩余强度试验，研究了铺层方向对层合板压缩剩余强度的影响。试验结果显示，对于含90 方向铺层的交叉铺层层合板在4J冲击下的压缩剩余强度下降最大。而对于含45 与-45 铺层的准各向同性层合板，其压缩剩余强度下降较小。对于CFRP层合板受到低速冲击后，也有不少学者使用有限元研究了其压缩剩余强度。Gonzlez等11利用严格的热力学框架，提出了一个具有层间和层内损伤的三维有限元模型，用于落锤冲击和压缩剩余强度试验模拟，并研究了不同铺层1342022.12百家博采百家博采方向的影响。Arteiro等12采用复合材料损伤模型对碳纤维复合材料层合板的边缘冲击和冲击后压缩响应进行了预测。首先，进行了网格敏感性分析，表明网格需要足够精细，以准确捕捉冲击位置的永久性平面外变形，该位置在变形过程的早期阶段作为引发压缩破坏的起始位置。试验测量的应力-位移曲线用于验证压缩剩余强度预测。预测了不同层板边缘冲击损伤的形状和大小，以及层合板在冲击载荷作用下的压缩剩余强度。沈真等13研究了复合材料体系的抗冲击性能，提出了复合材料抗冲击性能的 2 项指标，包括损伤阻抗和损伤容限。Rivallant等14提出了一个CFRP层合板冲击损伤、永久压痕和冲击后压缩的数值模拟模型。该模型考虑了不同的冲击和压缩试验的基本损伤类型，即基体开裂、纤维失效和分层。将试验测试结果和模型结果进行比较，验证了该模型的准确性。Andrew等15为了预测受冲击层合板压缩剩余强度，提出了一个半解析断裂力学模型。为了验证理论结果，对三个受冲击的试样进行了压缩试验。分析结果显示，预测值与试验值误差在10以内，这表明该模型的正确性。通过上述学者对于CFRP层合板低速冲击后压缩剩余强度的研究，可以得出以下结论：(1)冲击的位置、冲头形状和层合板铺层方向等都会影响到层合板冲击后的压缩剩余强度；(2)目前，层合板冲击后的压缩剩余强度预测已在有限元中被广泛应用，并取得了比较好的预期成果。五、结束语CFRP层合板在受到外来冲击载荷而表现出的损伤模式很复杂，并且层合板产生的多种损伤一般都是同时存在，相互联系的，这就导致了冲击损伤与演化变得异常复杂。目前学者们对冲击损伤的机理认识仍存在不足，对于模拟层合板受到冲击损伤的数值模型种类方法较多，但没有对各个模型进行一个合理的整理分类，并对各类模型的适用性进行合理的评估。因此对于CFRP层合板冲击损伤的研究今后还是研究的热点。参考文献1沈观林.复合材料力学(第 2 版)M.北京:清华大学出版社,2013.2陈普会,沈真,聂宏.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J.航空学报,2004,25(6):573-576.3Kim H,Welch D A,Kedward K T.Experimental investigation of high velocity ice impacts on woven carbon/epoxycomposite panelsJ.Composites Part A,2003,34(1):25-41.4陈普会,李念.复合材料层合板低速冲击损伤的预测模型J.南京航空航天大学学报,2014,46(3):341-348.5 ASTMD7136Standardtest methodfor measuring thedamage resistance of a fiber-reinforced polymer matrix composite to a drop-weight impact eventS.2012.6AbrateS.ImpactoncompositestructuresM.London:Cambridge university press,1998.7 Hashin Z.Failure criteria for unidirectional fiber compositesJ.Journal of Applied Mechanies,1980,47(2):329-334.8CamanhoPP,MatthewsF.L.Aprogressivedamagemodel for mechanically fastened joints in composite laminatesJ.Journal of Composite Materials,1999,33(24):2248-2280.9 Koo J M,Choi J H,Seok C S.Evaluation for residualstrengthandfatiguecharacteristicsafterimpactinCFRPcompositesJ.Composite Str