复合材料低速冲击损伤研究现状

徐姚兴

商丘工学院 机械工程学院，河南 商丘 476000

摘要：复合材料由于具有比强度高、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。但由于复合材料结构的特殊性，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。本文针对近年来复合材料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：复合材料；低速冲击；冲击损伤

1.复合材料冲击试验方法

目前研究复合材料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 D7136^[1]标准，其冲头一般是半球形，被冲击式样尺寸是150mm×100mm，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

Fig.1 Impact test setup

通过对于复合材料低速冲击的研究，许多学者得出以下结论：(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。

2.复合材料冲击损伤分析理论

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。

2.1 纤维损伤

基于应力描述的三维Hashin失效准则^[2]来对纤维损伤进行判断，具体失效判据如下：

纤维断裂 ( )

纤维压缩 ( )

2.2 基体损伤

基体开裂 ( )

基体挤压 ( )

2.3 层间损伤

2.4 材料损伤退化方案

复合材料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^[3]是常用的材料参数折减方案，具体过程如下：

纤维断裂：E₁₁=F_fE₁₁

纤维压缩：E₁₁=F_fcE₁₁

基体开裂：E₂₂=F_mE₂₂，G₁₂=F_mG₁₂，G₂₃=F_mG₂₃

基体挤压：E₂₂=F_mcE₂₂，G₁₂=F_mcG₁₂，G₂₃=F_mcG₂₃

其中：F_f=0.07；F_fc=0.14；F_m=0.2；F_mc=0.4。

3. 复合材料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 After Impact, CAI)表征。复合材料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^[4]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^[5]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。

对于复合材料受到低速冲击后，也有不少学者使用有限元研究了其压缩剩余强度。González等^[6]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，并研究了不同铺层方向的影响。Arteiro等^[7]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

^[8]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。

通过上述学者对于复合材料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。

4.结束语

复合材料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。因此对于复合材料冲击损伤的研究今后还是研究的热点。

参考文献

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[4] Koo J M, Choi J H, Seok C S. Evaluation for residual strength and fatigue characteristics after impact in CFRP composites[J]. Composite Structures, 2013, 105: 58-65.

[5] Sanchez-Saez S, Barbero E, Zaera R, et al. Compression after impact of thin composite laminates[J]. Composites Science & Technology, 2005, 65(13): 1911-1919.

[6] González E V, Maimí P, Camanho P P, et al. Simulation of drop-weight impact and compression after impact tests on composite laminates[J]. Composite Structures, 2012, 94(11): 3364-3378.

[7] Arteiro A, Gray P J, Camanho P P. Simulation of edge impact and compression after edge impact in CFRP laminates[J]. Composite Structures, 2020, 240: 18-32.

[8]沈真, 杨胜春, 陈普会. 复合材料抗冲击性能和结构压缩设计许用值[J]. 航空学报, 2007, 28(3): 561-566.