含低速冲击损伤复合材料层板剩余强度及疲劳性能研究

摘要

复合材料层合板由于其比强度、比刚度高，可设计性强，在航空、航天领域已得到的广泛的应用。然而层合板对低速冲击十分敏感，低能量物体的冲击往往在层板内部造成诸如纤维断裂，基体开裂，层间分层等损伤，这些损伤严重影响了结构的承载能力和安全使用寿命。现有的基于“静力覆盖疲劳”的复合材料结构设计思想将复合材料的许用应变值限制在一个较低的水平上，降低了复合材料结构的减重效果。为了提高复合材料的应用水平和效率，需要开展对复合材料低速冲击损伤和冲击后剩余强度、疲劳性能的研究。本文围绕这点，开展的主要研究内容包括：
　　 (1)针对某典型铺层T300/QY8911复合材料层板开展了8种能量的低速冲击和冲击后压缩试验研究，获得了冲击后层板的损伤规律，讨论了冲击能量和冲击损伤特性及剩余压缩强度之间的关系；分析了含低速冲击损伤层板在压缩载荷下的破坏机理，研究表明：低速冲击造成的损伤对该类层板的剩余压缩强度影响很大，在仅3.75J/mm的冲击能量下，层板剩余压缩强度就下降了65％。含冲击损伤层板的压缩破坏模式与含孔层板类似，孔(损伤区)周围纤维屈曲是主要的失效模式。
　　 (2)选取了受13.75J能量冲击后的层板进行冲击后压-压疲劳试验研究。详细测量了疲劳加载过程中试件内部的损伤扩展情况，获得了损伤扩展规律。研究发现：含冲击损伤层板压-压疲劳载荷下的损伤扩展过程可分为平稳期和扩展期两个阶段，平稳期约占整个疲劳寿命的前60％，该阶段内损伤扩展较缓慢；而疲劳寿命的后半阶段为扩展期，损伤开始加速扩展，在临近材料破坏时，还会出现明显的整体刚度下降。
　　 (3)建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤演化的有限元分析模型，有限元模型中包含了用于模拟分层损伤的界面单元和用于模拟纤维断裂，纤维挤压，基体开裂，基体挤裂等面内损伤形式的三维实体单元，模型中考虑了面内基体损伤对层间强度的影响。模型使用ABAQUS/Explicit模块和用户材料子程序VUMAT来实现，讨论了主要损伤模式的产生机理和影响低速冲击后层板内部分层面积的主要因素。
　　 (4)通过损伤导入模块，将冲击损伤模型分析得到的各类损伤导入到压缩破坏模型中，建立了预测含冲击损伤层板在压缩载荷作用下损伤演化和剩余强度的有限元分析方法，实现了从冲击到冲击后压缩的全程分析。
　　 (5)将冲击损伤等效为一圆形开孔，应用含椭圆形夹杂的杂交应力单元分析含圆孔有限大板的应力分布，采用特征曲线和点应力判据相结合的方式并通过引入损伤扩展规律建立了含低速冲击损伤复合材料层板剩余强度和压-压疲劳寿命预报模型。并详细讨论了相关参数对剩余强度和疲劳寿命的影响。