复合材料外物损伤规律及损伤后拉伸疲劳研究_刘丰瑞.pdf

机械制造刘丰瑞，等复合材料外物损伤规律及损伤后拉伸疲劳研究第一作者简介:刘丰瑞(1996)，男，江苏连云港人，硕士研究生，研究方向为结构强度与振动。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301010复合材料外物损伤规律及损伤后拉伸疲劳研究刘丰瑞a，陈伟a，陆楷楠a，赵振华b，刘璐璐a，罗刚b(南京航空航天大学 a 航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室，b 机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京 210016)摘要:为研究复合材料受外力冲击的规律和冲击后疲劳的特性，分别使用 200 m/s、300 m/s的冲击速度、直径 4 mm、3 mm 的钢珠以 90和 30入射角度冲击复合材料层合板，模拟外物损伤的过程，共设计了 24 组冲击试验和 9 组疲劳试验。根据结果比对冲击速度、冲击物大小、冲击角度对冲击损伤的影响，分别对复合材料层合板损伤的长度、宽度和深度进行研究。对冲击后的层合板进行拉伸疲劳试验，根据所得到的疲劳极限，建立冲击损伤长度、宽度、深度和疲劳强度的关系。结果表明:相对于冲击角度，冲击物大小变化对层合板损伤影响更大，冲击速度的影响最小;疲劳强度与损伤长度和宽度的相关性较为明显，而与损伤深度的相关性较小。关键词:复合材料;外物损伤;冲击速度;冲击角度;外物尺寸;拉伸疲劳中图分类号:TB3023文献标志码:B文章编号:1671-5276(2023)01-0042-06Study on Foreign Object Damage ule and Tensile Fatigue of Composite MaterialsLIU Fengruia，CHEN Weia，LU Kainana，ZHAO Zhenhuab，LIU Lulua，LUO Gangb(a Aeroengine Thermal Environment and Structure Key Laboratory of Ministry of Industry and Information Technology，b State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures，Nanjing University of Aeronautics andAstronautics，Nanjing 210016，China)Abstract:To study the impact law and impacted fatigue characteristics of composite materials，4 mm and 3 mm diameter steel ballswere used to impact the composite laminates at the speeds of 200 m/s and 300 m/s and at the angels of 30 and 90 to simulate theprocess of foreign object damage，24 groups of impact tests and 9 groups of fatigue tests were designed and conducted Accordingto the test results，the effects on the impact damage by impact velocity，foreign object size and impact angle were compared，and thedamage length，width and depth of composite laminates were studied respectively The tensile fatigue tests of the damagedlaminates were carried out According to the obtained fatigue limit，the relationship between the length，width，depth of impact damageand fatigue strength was established The results show the impact material size change has a greater effect on the damage ofcomposite laminates than the impact angle with the the least effect on impact velocity，while the fatigue strength has obviouscorrelation with the length and width of damage，but poor correlation with the depth of damageKeywords:composite material;foreign object damage;impact velocity;impact angle;foreign object size;tensile fatigue0引言航空发动机静子叶片作为压气机的核心部件，主要作用是对气流进行梳整和扩压，提高发动机的工作效率，其工作状态直接影响发动机的总体性能及稳定性。由于气动载荷的作用，静子叶片长时间受到气流冲刷及承受被打伤的风险，使得其故障率高，主要损伤模式为振动破坏、疲劳破坏和打伤12。纤维增强树脂基复合材料具有高比强、高比模、可设计、阻尼大、耐疲劳等优良的综合性能，可较好地解决金属静子叶片所面临的疲劳损伤和振动损伤问题，是航空发动机理想的轻量化材料3。在 90 年代，GE 公司将其研制的碳纤维复合材料叶片“大力神”应用到了 GE90 上，在 11 年的飞行历程中，仅更换过 3 片叶片。在后来的优化中更是将原来的 22 片叶片减少为 18 片，极大地减轻了发动机的质量4。而现代飞机在其飞行时，动力装置会吸入各种外来物，这些外物会对飞机的叶片造成一定的损伤5。这些损伤部位会受到不断吸入的气流冲击，造成整个叶片的提前疲劳失效6。将复合材料用于发动机的叶片上，对复合材料受损伤后的疲劳研究就显得格外必要。国内外的学者，对复合材料受损伤和损伤对疲劳强度的影响已经有了一定的研究。NICHOLAS T 等7 研究了较小的硬物对钛合金平板的冲击损伤，提出了定量冲击损伤的概念;对不同带有模拟叶片边缘几何形状的平板试样进行弹道冲击，造成可调控的冲击损伤。AWALE D D 等8 在试件不同的位置制造了与试验件成 45、宽度为 1mm 的裂纹，对不同位置的裂纹与整个试验件的疲劳性能关系进行了研究，得出了在试验件中间的一道裂纹比在试验件两侧两道裂纹的影响更大的结论。KOO JAEMEAM 等9 通过改变冲击能量和冲24机械制造刘丰瑞，等复合材料外物损伤规律及损伤后拉伸疲劳研究击器直径，研究 CFP 复合材料受冲击后对残余强度和疲劳强度的影响，并提出了疲劳寿命预测模型。顾善群等10 采用树脂传递模塑工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料，通过空气炮冲击试验研究树脂韧性和碳纤维复合材料的抗高速冲击性能。本文对实际冲击条件进行模拟，进行不同冲击速度、冲击角度、外物尺寸的冲击试验，探究其对复合材料的损伤规律11，并在冲击试验后进行拉伸疲劳试验，探究冲击对拉伸疲劳的影响情况。1外物损伤试验11试验件介绍本次试验冲击靶体用的是 CCF300/QY9511 复合材料层合板，其基本尺寸如表 1 所示。表 1复合材料层合板试验件参数长度/mm宽度/mm厚度/mm铺层次序加持段长/mm加持段厚度/mm角度/()250253 45/0/45/905S50151512使用方法本次实验采用的是一级空气炮系统12，发射直径分别为 3mm、4mm 的钢珠模拟外物，分别以 200m/s、300m/s 的速度冲击试验件，钢珠的材料属性如表 2 所示。完成外物损伤试验后，使用三维体视显微镜对缺口进行损伤参数观测，定义损伤宽度与损伤长度，再用超景深显微镜测量损伤的深度13。表 2钢珠材料参数材料密度/(kg/m3)弹性模量/Pa泊松比GCr15 轴承钢7 810212101102913试验结果本次试验共对 24 件复合材料平板试验件进行模拟外物损伤试验。为了定量地描述损伤的严重程度，定义与试验件最长边平行的距离为损伤长度，与试验件最长边垂直的距离为损伤宽度，试验造成损伤的最深部位与平板面的距离定义为损伤深度。损伤长度、损伤宽度与损伤深度参数的测量如图 1 所示。外物损伤情况如表 3 所示。图 1损伤长度、宽度和深度的定义表 3外物损伤情况统计序号钢珠直径/mm冲击速度/(m/s)冲击角度/()损伤长度/mm损伤宽度/mm损伤深度/mm损伤类型1420090417369076未穿透2420090512308097未穿透3420090504291098未穿透4420030546383071未穿透5420030429358051未穿透6420030570387056未穿透7320090340276056未穿透8320090322296053未穿透9320090365283053未穿透10320030378294041未穿透11320030369280050未穿透12320030404328040未穿透13430090398384300穿透14430090391395300穿透15430090414386300穿透16430030607432300穿透17430030608390300穿透18430030672406300穿透19330090361303082未穿透20330090376300083未穿透21330090372322088未穿透22330030412310099未穿透23330030392361064未穿透24330030378379070未穿透14试验结果分析1)入射速度对外物损伤宏观尺寸的影响在入射角为 30的条件下，缺口损伤长度、宽度和深度与入射速度的关系如图 2 所示，其中直线连接的星形点代表横轴对应速度下的损伤尺寸结果均值。34机械制造刘丰瑞，等复合材料外物损伤规律及损伤后拉伸疲劳研究图 230冲击损伤宏观尺寸与入射速度的关系从图 2 可以看出，当入射角度在 30时，直径 4mm 的外物受冲击速度的影响比直径 3mm 的外物更加明显。分析图 2(a)、图 2(b)，直径 4mm 外物尺寸造成长度损伤均值较大是由于不同尺寸外物增加同样的速度时，大尺寸外物会获得更加多的能量，因此在造成冲击时会在试验件表面产生更大的滑移，因此相较于损伤宽度，损伤长度会有明显的变化。观察图 2(c)可以看出，入射速度300 m/s、直径 4mm 钢珠发生了穿透损伤，而同样条件下 3mm 钢珠损伤只有 1mm。这是由于在实际试验中，4mm 钢珠发生了完全非弹性碰撞，嵌入了试验件中，如图 3 所示，而3mm 钢珠发生了非完全弹性碰撞，如图 4 所示。图 3完全非弹性碰撞图 4非完全弹性碰撞在入射角为 90的条件下，缺口损伤长度、宽度和深度与入射速度的关系如图 5 所示。图 590冲击损伤宏观尺寸与入射速度的关系在图 5(a)中随着冲击速度的增加，损伤长度减少，这可能是钢珠在与弹托分离时和飞行过程中受到气流等不确定因素的扰动可导致撞击位置发生微小偏离，这可以从图 5(b)、图 5(c)看出，随着速度的增大，损伤深度和损伤宽度增大的趋势。与直径 3mm 的钢珠造成的外物损伤相比，4mm 直径的钢珠造成的外物损伤显示出更大的分散性，并且在 90冲击角度的情况和 30冲击相比，随着冲击速度的增大，损伤尺寸增加的趋势更加明显。2)入射角度对外物损伤宏观尺寸的影响在入射速度为 200m/s 的条件下，使用直径 3mm、4mm 钢珠