铺层角度对CFRP多向层板Ⅱ型分层扩展行为的影响

摘要

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)因其良好的力学性能被逐渐应用于飞机主承力结构中。分层是复合材料层板最常见的损伤形式之一,也是飞机复合材料结构损伤容限设计与分析所关注的焦点问题。对于II型分层,现有研究主要针对单向层板展开,而工程实际中应用较多的是多向层板,对II型分层的铺层角度影响缺乏深入认识。为此,采用试验和数值方法开展了相关研究。首先设计了3种工程实际中常用界面(0°/5°、45°/-45°和90°/90°)的T700/QY9511碳纤维/双马来酰亚胺树脂基复合材料层板,所设计铺层可降低耦合作用并确保II型主导的分层扩展。采用端部开口弯曲装置开展了II型分层试验并测得了断裂韧性。结果表明:铺层角度对断裂韧性和分层失效行为影响显著。采用控制变量法建立了内聚力关键参数模型,在此基础上实现了多向层板II型分层扩展行为的模拟,预测的载荷-位移曲线响应与试验结果吻合很好,说明了有限元模型的有效性。有限元结果表明,基体损伤做功表现出随铺层角度增加而增加的趋势。为揭示基体损伤做功与分层前缘损伤区大小之间的关系,利用用户自定义子程序,模拟了不同界面试样的分层前缘损伤区域。