3 層合板剩余壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)
含損傷層合板剩余壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)參照美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì) ASTM D 7137“含損傷聚合物基復(fù)合材料板剩余壓縮強(qiáng)度性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”［9］，試驗(yàn)件緊密安裝在試驗(yàn)夾具上，確保夾具對(duì)試驗(yàn)件提供足夠的支持且損傷部位位于夾具的中心。把夾具放在試驗(yàn)機(jī)的平臺(tái)上，調(diào)節(jié)夾具，保證對(duì)中加載，如圖 4 所示。
3.1 壓縮破壞過程
受 32． 63J 能量沖擊后，層合板最大壓縮載荷為113． 3kN，剩余壓縮強(qiáng)度為 232MPa。壓縮過程中的載荷 － 位移曲線如圖 5 所示，試驗(yàn)件破壞之前曲線基本為線性，達(dá)到極限承載能力時(shí)層合板突然破壞。破壞發(fā)生前，可以聽到隨著加載發(fā)出的連續(xù)“嘶嘶”聲，表明損傷發(fā)生急劇擴(kuò)展而喪失承載能力。
沖擊后層合板中部發(fā)生損傷，在壓縮載荷作用下，損傷從中部沿與載荷垂直方向擴(kuò)展，因此壓縮破壞的典型模式是貫穿中心損傷區(qū)域的層合板壓斷，如圖 6 所示。當(dāng)沖擊載荷很小時(shí)，沖擊表面凹坑目視不可見，未對(duì)層合板造成實(shí)質(zhì)性損傷，此時(shí)由于層合板剛度較大，通常在層合板壓斷之前夾持端夾具會(huì)松動(dòng)彈開，造成端部壓潰，如圖 7 所示。
3.2 剩余壓縮強(qiáng)度與凹坑深度變化關(guān)系
表 1 所示是不同沖擊能量下凹坑深度與層合板剩余壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。開始階段，當(dāng)層合板表面出現(xiàn)肉眼可見凹坑后，剩余壓縮強(qiáng)度隨沖擊能量的增加而降低得非�？臁ｋS著沖擊能量增大，下降趨勢(shì)逐漸平緩。9J 和 12J 沖擊能量，層合板壓斷之前夾持端松動(dòng)彈開，以此時(shí)的強(qiáng)度值作為完好層合板的壓縮強(qiáng)度，當(dāng)沖擊能量為 40J 時(shí)，壓縮強(qiáng)度減小了約 53． 7% ，可見面外沖擊會(huì)大幅減小層合板的壓縮強(qiáng)度。
4 沖擊損傷數(shù)值模擬
4.1 沖擊損傷分析模型
復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊的主要損傷模式為層內(nèi)纖維、基體損傷和層間分層損傷。建立層合板沖擊損傷有限元模型，采用連續(xù)殼單元模擬層合板單層特性，相鄰兩層之間插入一層界面單元模擬層合板分層損傷。沖頭采用剛性體模擬，其優(yōu)點(diǎn)是無需劃分網(wǎng)格，計(jì)算效率高。4． 1． 1 層內(nèi)損傷模型采用 Hashin 失效準(zhǔn)則模擬單層板損傷，它考慮了纖維拉伸、纖維壓縮、基體拉伸、基體壓縮 4 種失效模式，當(dāng)單元應(yīng)力滿足 4 個(gè)中的 1 個(gè)時(shí)，就認(rèn)為損傷發(fā)生。
損傷起始判據(jù)定義了材料發(fā)生損傷前的力學(xué)行為以及何時(shí)發(fā)生損傷，損傷演化則描述了損傷發(fā)生后到破壞的過程。引入損傷變量 d，用來表征材料損傷的程度，它與材料損傷起始點(diǎn)參數(shù)、破壞點(diǎn)參數(shù)以及損傷演化過程有關(guān)。在有限元分析時(shí)，在給出損傷起始判據(jù)和材料參數(shù)后，通常需要給出與失效模式對(duì)應(yīng)的應(yīng)變能釋放率。
4.1.2 分層損傷模型
在相鄰兩層之間插入一層“零厚度”界面單元，用界面單元是否發(fā)生損傷來判斷分層是否發(fā)生。界面層損傷起始判據(jù)采用二次名義應(yīng)力判據(jù)，見式( 5) ，它包含了法向正應(yīng)力和兩個(gè)切向應(yīng)力的作用。
對(duì)于界面層的破壞，采用基于臨界應(yīng)變能釋放率的破壞準(zhǔn)則。復(fù)合材料層合板單層是橫觀各向同性材料，界面元的兩個(gè)剪應(yīng)力分量對(duì)應(yīng)的開裂模式分別是Ⅱ型和Ⅲ型裂紋，采用 BK 破壞準(zhǔn)則［10］，分析時(shí)需給出 3 個(gè)方向的臨界斷裂能，則臨界應(yīng)變能釋放率 GC可根據(jù)式( 6) 確定。
4.2 有限元分析結(jié)果
針對(duì)本文試驗(yàn)用層合板材料體系與鋪層建立沖擊損傷分析模型，標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量下分層損傷區(qū)域如圖 8 所示，損傷面積約為 726mm2，損傷區(qū)域近似為圓形。
不同沖擊能量下層合板分層損傷面積如圖 9 所示，分層損傷面積隨沖擊能量增大而增加。標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量之前，分層損傷面積隨沖擊能量增大而增加較快，說明層合板剛度下降較快，分層損傷對(duì)沖擊能量較為敏感。隨著沖擊能量繼續(xù)增加，分層損傷面積增加趨勢(shì)明顯變緩，表明層合板內(nèi)部已出現(xiàn)較大的分層損傷，逐漸達(dá)到抵抗面外沖擊的臨界狀態(tài)。有限元分析得到的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)基本一致。
圖 10 是 3 種不同沖擊能量下沖頭位移隨時(shí)間變化的曲線，在一定的沖擊能量范圍內(nèi)，沖擊能量越大，沖頭與層合板接觸瞬時(shí)速度越大，沖頭壓入層合板位移越大，層合板彎曲變形越大，但沖頭與層合板接觸時(shí)間反而減小。
圖 11 是沖擊后層合板分層損傷超聲 C 掃描形貌圖。標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量下，C 掃描測(cè)量得到的分層損傷面積為 803mm2，有限元分析結(jié)果為 726mm2，相對(duì)誤差為 9． 6% 。12J 沖擊能量下，無損檢測(cè)結(jié)果為406mm2，分析結(jié)果為 358mm2，相對(duì)誤差為 11． 8% 。
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