《CJA 》平面编织复合材料层合板低速冲击,冲击后拉伸和压缩渐进损伤行为

(稿件整理：Dr 公平   编辑校对：Dr 公平)

编织复合材料层合板因其优异的剪切强度、抗冲击性能和断裂韧性，在航空航天、交通运输和可再生能源工业中得到了广泛的应用。然而低速冲击事件(如维修工具的掉落)仍会显著降低编织复合材料结构的静强度和疲劳寿命。

编织复合材料层合板的LVI行为由于其复杂的失效机制，尚未对其低速冲击（LVI）、冲击后拉伸（TAI）或冲击后压缩(CAI)响应进行系统的研究。此外，由于低速冲击（LVI）过程与冲击后拉伸（TAI）或冲击后压缩(CAI)过程隶属于不同的物理过程，使得模拟复合材料层合板的TAI和CAI行为更加困难。对此，2020年，Zhengqiang CHENG(第一作者), Junjiang XIONG(通讯作者)在《Chinese Journal of Aeronautics》上发表"Progressive damage behaviors of woven composite laminates subjected to LVI, TAI and CAI".通过试验和数值模拟，研究了平面编织复合材料层合板的LVI、TAI和CAI渐进损伤行为.

测试的层合板试样由平纹编织碳纤维增强树脂基3238A/CF3052和玻璃纤维增强树脂基3238A/EW250F复合材料制成（见图1）。两种平面编织层合板的铺层顺序均为[(45/-45)/(0/90)]3s。针对以上两种平面编织层合板试样进行了低速冲击试验，冲击总质量由直径为16 mm的半球型钢制冲击头和配重块组成，共5.61 kg。3238A/CF3052层合板试样承受的冲击能量分别为22J,27J和30J，3238A/EW250F层合板试样承受的冲击能量分别为35J,44J和50J。此外，对低速冲击后的3238A/CF3052和3238A/EW250F层合板分别进行了静拉伸和压缩试验。

Fig. 1  Geometric geometry and schematic of specimen.

从图2可以看出，LVI的接触力-时间曲线有三个区域(A-B, B-C, C-E)。第一区域称为“近似线弹性区域”,接触力随着冲击时间的增加而近似线性增加直至一个微小的拐点(即B点)。在拐点后即出现第二区域BC，接触力以跳跃的方式继续上升到最大峰值力(点C)。在最大峰值力之后，进入第三个区域，即冲击过程的最终阶段(C-E区域)，层合板经历最终变形并反弹，直到冲击结束。

两种平面编织层合板的冲击表面均产生了圆形的冲击凹坑，而在冲击背面随机出现了金字塔形或脊状的冲击损伤模式。此外，随着冲击能的增加，两种层合板的冲击损伤面积都逐渐增大，但3238A/CF3052层合板比3238A/EW250F层合板的冲击损伤面积增加更为显著，说明3238A/CF3052层合板比3238A/EW250F层合板对低速冲击更敏感。

在不同的冲击能量下，3238A/CF3052层合板和3238A/EW250F层合板的阈值力几乎保持不变，分别约为5089 N和5962 N，表明阈值力与冲击能量无关。相反，随着冲击能量的增大，3238A/EW250F层合板的最大峰值力缓慢增大，而3238A/CF3052层合板的最大峰值力略有减小，说明3238A/EW250F层合板的抗外来物侵入性能优于3238A/CF3052层合板。两种层合板的峰值挠度、层合板吸收能量和能量吸收率均随着冲击能量的增加而增大，然而在相同的冲击能量下，相比于3238A/EW250F层合板，3238A/CF3052层合板的峰值挠度较小，能量吸收率较大，这可能是3238A/CF3052层合板的刚度较大的缘故。

Fig. 2  Contact force versus time and deflection curves.

由图3可知，两种低速冲击后层合板的拉伸载荷-位移曲线形式相似，表现为初始的几乎线性，后来随着载荷的增加，拉伸刚度略微减小。然而，两种低速冲击后层合板的压缩载荷-位移曲线形式存在显著差异，具体表现为冲击后3238A/CF3052层合板的压缩载荷-位移曲线为线性，而冲击后3238A/EW250F层合板的压缩载荷-位移曲线为双线性。在CAI测试中，3238A/CF3052层合板未出现屈曲现象，相反，3238A/EW250F层合板在冲击凹坑区域出现全局屈曲现象，使得载荷-位移曲线的斜率减小，出现了双线性的特征。随着冲击能量的增加，两种类型的冲击后层合板的静拉伸强度和压缩均逐渐减小，然而相比于3238A/EW250F层合板，3238A/CF3052层合板剩余强度下降更显著，表明3238A/CF3052层合板的TAI和CAI性能对冲击能量更为敏感。

Fig. 3  Tensile and compressive load versus displacement curves.

采用图4所示的渐进损伤分析流程，预测得到两种层合板的接触力-时间曲线和接触力-挠度曲线如图2所示，结果表明仿真结果与试验结果吻合良好。预测得到的3238A/CF3052层合板的低速冲击损伤面积、阈值力、最大峰值力、峰值挠度和吸收能量与试验值的最大相对偏差分别为19.9%, 9.8%, 25.0%, 3.5%和22.6%；预测得到的3238A/EW250F层合板的上述冲击特征与试验值的最大相对偏差分别为7.5%, 13.5%, 4.2%, 3.9%和23.7%。由此可知，低速冲击渐进损伤显式动态分析可以有效地预测平面编织复合材料层合板的LVI行为。

此外，预测得到两种层合板的低速冲击后拉伸和压缩载荷-位移曲线如图3所示，结果表明预测结果与试验结果吻合良好。预测得到的3238A/CF3052层合板和3238A/EW250F层合板的TAI强度与试验值的最大相对偏差分别为6.0%和3.7%；预测得到的3238A/CF3052层合板和3238A/EW250F层合板的CAI强度与试验值的最大相对偏差分别为10.5%和4.7%。此外，22J冲击后3238A/CF3052层合板的CAI渐进损伤过程如图5所示，结果表明层内纤维断裂和层间分层均垂直于加载方向从冲击损伤区域向层合板两侧边缘扩展，这与试验现象保持一致。由此可知，TAI和CAI渐进损伤隐式静态分析方法可以有效地预测平面编织复合材料层合板的TAI和CAI行为。

Fig. 4  Scheme flowchart of progressive damage analysis.

Fig. 5  Numerical CAI damage for lamina 3238A/CF3052 at 22 J.

本文对平面编织复合材料层合板的LVI、TAI和CAI渐进损伤行为进行了试验和数值研究，重要结论如下:（1）LVI接触力-时间曲线存在三个明显区域；两种层合板的峰值挠度、损伤面积、吸收能量和能量吸收率均随着冲击能量的增加而增大，而阈值力与冲击能量水平无关。（2）两种层合板的TAI和CAI强度均随着冲击能量的增加而减小；相比于3238A/EW250F层合板，3238A/CF3052层合板的TAI和CAI性能随着冲击能量的增加衰减得更显著，表明其对冲击能量更敏感。（3）提出了一种改进的渐进损伤模型，用于显式动态LVI分析和隐式静态TAI和CAI分析。基于该模型模拟了平面编织复合材料层合板的LVI、TAI和CAI渐进损伤行为，预测结果与实验结果吻合较好，证明了该模型的有效性。