1.引言
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與常規(guī)金屬材料相比，具有比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、工藝性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［1］。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)面外沖擊載荷較為敏感，沖擊造成的損傷會(huì)大幅削弱層合 板 壓 縮 強(qiáng) 度，使 得 結(jié) 構(gòu) 承 載 能 力 大 大 降低［2］。因此，復(fù)合材料沖擊損傷越來越多地受到廣大研究者的關(guān)注。
試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬是研究復(fù)合材料沖擊損傷問題最主要的兩種手段。楊宇等［3］研究了含損傷層合板的壓縮破壞機(jī)制，通過超聲 C 掃描和聲發(fā)射獲得了分層損傷分布和壓縮破壞過程。程小全等［4］進(jìn)行了不同能量下層合板沖擊試驗(yàn)，給出了不同沖擊能量下沖擊表面與沖擊背面的損傷狀態(tài)。劉洪權(quán)等［5］建立了模擬層間應(yīng)力及損傷的有限元模型，采用內(nèi)聚力單元模擬層間損傷起始與擴(kuò)展，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Moural 等［6］在板殼元基礎(chǔ)上發(fā)展了一種新力學(xué)模型，將低速?zèng)_擊視為準(zhǔn)靜態(tài)過程，沒有考慮漸進(jìn)損傷。林淡等［7］建立了預(yù)測含損傷層合板壓縮破壞強(qiáng)度分析模型，將有限元分析得到的沖擊損傷狀態(tài)作為初始條件，考慮材料失效準(zhǔn)則與剛度退化，損傷演化過程的破壞模型與試驗(yàn)結(jié)果非常一致。
本文開展了不同沖擊能量下層合板低速?zèng)_擊試驗(yàn)，得到了不同能量下沖擊凹坑深度，并對(duì)含損傷層合板進(jìn)行了剩余壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，建立了層合板沖擊損傷預(yù)測有限元分析模型，分別采用 Hashin 失效準(zhǔn)則和界面單元模擬單層與層間破壞，預(yù)測了不同沖擊能量下層合板分層損傷面積，并與無損檢測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
2.層合板落錘沖擊試驗(yàn)
2.1試驗(yàn)過程
層合板沖擊試驗(yàn)參 照 美 國 材 料 與 試 驗(yàn) 協(xié)會(huì)ASTM D 7136“測量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料對(duì)落錘沖擊事件的損傷阻抗的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”［8］。層合板 尺 寸 100mm × 150mm，鋪 層 為［45 /0 / － 45 /903s。半球形沖頭材質(zhì)為鋼，質(zhì)量 5． 5kg，直徑16mm。本文試驗(yàn)用層合板由國產(chǎn) USN20000 型單向碳纖維預(yù)浸料通過真空袋 － 熱壓罐成型工藝制備而成，單層厚度 0． 2mm，并且采用多功能超聲波探傷儀對(duì)成型層合板進(jìn)行了無損檢測，確保試驗(yàn)件無初始損傷。
如圖 1 所示，用帶有半球形沖頭的落錘試驗(yàn)裝置使矩形層合板受到面外沖擊，試驗(yàn)件對(duì)中放置在帶有 4 個(gè)夾子的試驗(yàn)夾具上，沖擊后取出層合板并立刻測量其凹坑深度。
2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
2.2.1損傷形貌
層合板沖擊后典型形態(tài)如圖 2 所示，在 32． 6J沖擊能量下，層合板表面沖擊區(qū)域有肉眼明顯可見的局部圓形凹坑，背面中部有向外拱起現(xiàn)象，并且用肉眼能觀察出沿該層纖維方向的開裂。層合板非沖擊區(qū)域沒有明顯的變化。
2.2.2 凹坑深度與沖擊能量變化關(guān)系
不同沖擊能量下，層合板凹坑深度與沖擊能量變化關(guān)系如圖 3 所示。凹坑深度隨沖擊能量的增大而增大，二者具有明顯的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。沖擊能量為 9J、12J 時(shí)，凹坑深度很小，肉眼幾乎不能識(shí)別。隨著沖擊能量逐漸增大，在沖擊能量為 10J － 20J 之間時(shí)，凹坑深度增加很快，在層合板表面會(huì)出現(xiàn)肉眼明顯可見的近似圓形凹坑; 沖擊能量繼續(xù)增大，凹坑深度增速變緩，在整個(gè)過程中，層合板非沖擊區(qū)域都沒有明顯的變化。
|
