复合材料层合板低速冲击后的力学性能试验研究

合集下载

复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用

复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用摘要：本文主要研究了复合材料在低速冲击下的损伤机制，并通过等效模型的应用，提出了针对复合材料低速冲击损伤的评估方法。

本文首先介绍了复合材料的基本概念、特点及应用领域，然后重点分析了复合材料在低速冲击下的损伤机理，接着阐述了等效模型的理论基础及其在复合材料损伤评估中的应用，最后总结了该研究的成果及未来发展方向。

一、复合材料的基本概念、特点及应用领域复合材料是一种由两种或两种以上的材料通过物理或化学方法结合而成的材料。

相比于传统材料，复合材料具有优异的力学性能、化学稳定性、电磁性能等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子电器、建筑等领域。

二、复合材料低速冲击损伤的机理分析复合材料在低速冲击下的损伤机理较为复杂，主要受到冲击能量、冲击角度、材料组成等因素的影响。

根据大量的实验研究表明，复合材料在低速冲击下的损伤主要表现为层间撕裂、分层、纤维断裂等形态。

这些损伤形态的产生主要是由于冲击能量在材料内部传递时，产生了较大的内应力，导致材料的结构发生破坏。

三、等效模型的理论基础及其在复合材料损伤评估中的应用等效模型是一种基于物理量的数学模型，用于描述复合材料的力学性能。

等效模型的理论基础包括应力张量、应变张量、能量方程等。

在复合材料中，等效模型的应用可以有效地评估材料的损伤程度，为材料的修复和使用提供依据。

四、结论与展望本文研究了复合材料在低速冲击下的损伤机制，并通过等效模型的应用，提出了针对复合材料低速冲击损伤的评估方法。

实验结果表明，该方法能够有效地评估复合材料的损伤程度，为材料的修复和使用提供依据。

然而，复合材料低速冲击损伤的研究仍存在一定的局限性，如实验条件的限制、模型参数的确定等。

未来可以通过优化实验条件、改进模型参数等方法，进一步提高该研究的准确性和可靠性。

此外，随着复合材料在各个领域的应用越来越广泛，对于复合材料损伤评估的需求也越来越大。

复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素

复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素复合材料层合板是一种新型材料，它由多层材料组成，具有较高的强度和刚度，被广泛应用于航空、航天、汽车等领域。

然而，在实际使用过程中，层合板可能出现低速冲击损伤，降低了其力学性能和安全性能。

因此，研究层合板低速冲击损伤特性及其影响因素具有重要的意义。

层合板低速冲击损伤特性包括损伤程度、损伤面积、损伤形状等方面。

其中，损伤程度是指层合板受到冲击后的损伤程度，主要表现为层板表面的凹陷、破裂、裂纹等；损伤面积是指受损的面积大小，直接影响到层合板的力学性能；损伤形状则是指受损面的形状，通常为圆形、椭圆形或者不规则形状。

影响层合板低速冲击损伤特性的因素主要包括以下几个方面：1. 板材材料性质：层合板由多层材料组成，不同的材料性质对其低速冲击损伤特性具有不同的影响。

比如说，弹性模量高的材料在冲击后容易出现裂纹，而韧性好的材料则容易产生凹陷。

2. 冲击能量：冲击能量是指冲击力对层合板的作用力大小，对层合板的损伤程度、面积和形状都有直接的影响。

当冲击能量越大时，层合板损伤程度越严重，损伤面积越大，损伤形状也越不规则。

3. 冲击角度：冲击角度是指冲击力施加的角度大小，对层合板的损伤特性也有影响。

一般来说，冲击力垂直于层合板的表面时，损伤程度和面积都会比较大，而当冲击力与层合板表面成一定角度时，损伤程度和面积都会减小。

4. 堆积方式：层合板材料的堆积方式也会影响其低速冲击损伤特性。

不同的堆积方式会导致不同的力学性质，从而影响冲击损伤情况。

比如说，将纤维方向相反的两层材料堆积在一起时，可提高层合板的冲击强度。

5. 界面黏结强度：层合板的各层材料之间的界面黏结强度也会影响其低速冲击损伤特性。

如果黏结强度不够强，不同材料之间的相对滑动就容易产生，从而导致受损层面的剥离和剪切。

总之，复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素有很多，研究这些因素可以帮助我们了解层合板的力学性质和使用安全性，为以后材料设计和制造提供参考。

低速冲击下玄武岩纤维铝合金层合板力学性能分析

低速冲击下玄武岩纤维铝合金层合板力学性能分析汽车轻量化是降低车辆能耗和环境污染的重要手段,使用轻量化材料是实现汽车轻量化的有效方式。

纤维复合材料以其优异的力学性能已经广泛应用在航空航天等领域,随着纤维复合材料生产成本的降低和加工工艺的成熟,纤维复合材料在汽车产业已经得到广泛关注,并且开始逐步替代钢制部件。

纤维金属层合板是将纤维复合材料和金属薄板结合起来,形成的一种新型复合材料,其整体性能不仅仅是两种或多种性能的简单叠加,而是多种材料性能互补形成的新型复合材料。

与纤维复合材料层合板相比,纤维金属层合板具有更高的能量吸收特性;与金属板相比,具有更高的比强度和比弹性模量,能够满足车身抗冲击特性和轻量化的要求,因此在汽车应用上有很大潜力。

本文将玄武岩纤维复合材料和铝合金的优势相结合,将玄武岩纤维复合材料与铝合金薄板通过粘接方式,制成玄武岩纤维铝合金层合板样件,对其结构力学性能进行了实验和模拟研究。

分别研究了不同铺层结构和受到不同角度载荷冲击时,玄武岩纤维铝合金层合板的抗冲击性能,最后应用到发动机罩外板进行基础性研究。

具体研究内容如下:(1)进行了样件的制备及相关力学性能实验。

首先制备单向玄武岩纤维复合材料层合板实验样件,根据单向纤维复合材料基本力学性能测定方法,进行拉伸、压缩和剪切实验,获得玄武岩纤维复合材料单层板的力学性能参数;然后对铝合金板进行去污、脱脂和脱氧处理,并与玄武岩纤维层合板粘接,制成玄武岩纤维铝合金层合板实验样件,分别对纯玄武岩纤维层合板和玄武岩纤维铝合金层合板进行弯曲实验和冲击实验,对比分析其弯曲性能和抗冲击性能。

(2)研究不同层数连续壳单元对仿真精度影响,建立有效的有限元模型。

因为单元层数对纤维复合材料层合板有限元模型的仿真精度有很大影响,本文基于Hashin失效准则和双线性内聚力单元理论,分别采用2层、4层和8层连续壳单元对纤维层进行模拟,建立纤维层合板和纤维金属层合板三点弯曲仿真模型和低速冲击模型,进行有限元仿真并与实验结果对比,研究单元层数对仿真结果的影响。

低速冲击作用下层合板损伤试验研究与数值分析

低速冲击作用下层合板损伤试验研究与数值分析张维【摘要】参照标准试验方法,开展了层合板低速落锤冲击试验,获取了不同冲击能量下凹坑深度等试验数据,并对含冲击损伤层合板进行了剩余压缩强度试验.研究了凹坑深度-冲击能量、剩余压缩强度-凹坑深度的变化关系,并讨论了低速冲击过程中的损伤演变过程和层合板的压缩破坏模式.建立了层合板低速冲击损伤分析模型,分别采用Hashin失效准则和界面单元模拟单层失效与分层损伤,利用有限元分析了层合板低速冲击过程,得到了不同冲击能量下分层损伤面积.结果表明,凹坑深度可以较好地表征层合板抵抗冲击的能力,随着冲击能量的增大,剩余压缩强度随凹坑深度的增加而明显降低.有限元分析得到的分层损伤面积与含损伤层合板超声C扫描结果吻合较好.【期刊名称】《工程与试验》【年(卷),期】2018(058)002【总页数】5页(P24-28)【关键词】低速冲击;层合板;损伤;失效【作者】张维【作者单位】中国飞机强度研究所,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】V216.5+51 引言纤维增强复合材料与常规金属材料相比，具有比强度高、可设计性强、工艺性好等诸多优点，因而广泛地应用于航空航天领域[1]。

复合材料结构对面外冲击载荷较为敏感，冲击造成的损伤会大幅削弱层合板压缩强度，使得结构承载能力大大降低[2]。

因此，复合材料冲击损伤越来越多地受到广大研究者的关注。

试验研究与数值模拟是研究复合材料冲击损伤问题最主要的两种手段。

杨宇等[3]研究了含损伤层合板的压缩破坏机制，通过超声C扫描和声发射获得了分层损伤分布和压缩破坏过程。

程小全等[4]进行了不同能量下层合板冲击试验，给出了不同冲击能量下冲击表面与冲击背面的损伤状态。

刘洪权等[5]建立了模拟层间应力及损伤的有限元模型，采用内聚力单元模拟层间损伤起始与扩展，数值模拟结果与试验结果吻合较好。

Moural等[6]在板壳元基础上发展了一种新力学模型，将低速冲击视为准静态过程，没有考虑渐进损伤。

叠层缝合碳纤维增强铝基复合材料低速冲击及冲击后剩余压缩力学性能

叠层缝合碳纤维增强铝基复合材料低速冲击及冲击后剩余压缩力学性能顾姝, 蔡长春, 余欢*, 徐志锋, 王振军（南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室, 南昌 330063）摘要：以铝合金ZL301为基体，碳纤维叠层缝合织物为增强体，采用真空压力浸渗工艺制备叠层缝合碳纤维增强铝基（叠层缝合C f /Al ）复合材料。

通过室温落锤冲击实验，研究冲击载荷及能量随时间的变化行为规律，采用光学显微镜和工业数字X 射线成像系统观测其冲击损伤形貌，分析冲击损伤机理。

通过冲击后压缩（CAI ）实验，研究复合材料在不同冲击能量下沿经纱方向的剩余强度，观察压缩试样宏观与微观断口形貌，分析压缩失效机制。

结果表明：冲击载荷作用下叠层缝合C f /Al 复合材料发生了显著的局部损伤，正面损伤区域出现了较明显的凹坑，而其背面出现明显的沿经向的裂纹，裂纹长度随冲击能量增加而增大，损伤模式主要表现为基体开裂和纤维断裂拔出；冲击后的经向压缩强度随冲击能量的增大而下降，压缩后的复合材料出现了从冲击裂纹端部沿纬纱方向扩展到试样边缘的横向裂纹，压缩宏观断口中纱线结构破坏严重程度随冲击能量的增加而加重，而压缩后的微观断口均呈现出纤维剪切断裂后参差不齐的形貌。

关键词：叠层缝合；C f /Al 复合材料；低速冲击；冲击后压缩；失效机制doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000209中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2022)03-0080-09纤维增强复合材料（FRP ）因密度小、比强度高、比模量大、各项力学性能优异而被广泛应用，其中碳纤维增强复合材料（CFRP ）以其高强高模、耐高温、可多维编织、热力学性能优良等特点脱颖而出，广泛应用于航空航天领域，但其特殊的使用环境中存在如飞鸟、冰雹等外来物体的冲击，对复合材料造成一定程度的损伤，降低其力学性能，缩短其使用寿命，影响飞行安全。

复合材料层合板低速冲击损伤方法研究

复合材料层合板低速冲击损伤方法研究
张小娟，张博平
( 西北工业大学航空学院，陕西西安 710072 )
摘
要: 在试验的基础上，分析了冲击能量与凹坑深度之间的关系，拟合出了冲击能量与凹坑深度
曲线方程�曲线方程表明，凹坑深度的变化是与冲击能量的变化过程相适应的，从而在凹坑深度已知的情况下可以计算得到层合板所受的外载，有此外载从便对层合板进行相应的模拟�利用 A N SYS 有限元程序对复合材料层合板横向低速冲击进行了模拟，模拟采用瞬态分析方法�对冲击后的试件进行了 C 扫描，在此基础上对损伤的分布形式及大小做了详细的分析 �计算结果和试验结果表明，方法是可行的，拟合曲线是正确的，且适合于层合板冲击后的损伤评估� 关键词: 复合材料层合板; 低速冲击; 冲击能量; 损伤; 有限元中图分类号: O242. 1 文献标识码: A - 654X ( 20 1 0) 03- 0 068-03 文章编号: 1671
用特殊壳单元研究了层间剪切应力分布� Scot tR.
6］ Fi n n & G eorge S. Spr i n ger［研究了层合板在静态或冲
收稿日期 : 200 9- 1 2-1 6
修订日期 : 2010- 04- 06
作者简介 : 张小娟 ( 1982 - ) ，女，陕西渭南人，硕士，研究方向为复合材料性能 �
22刚度退化复合材料板破坏时逐层逐单元发生的单元发生破坏后其刚度将发生变化应力在各单元中的分布也随之改变因而刚度退化方法选择得是否适当对求解层合板的最终强度有很大影响本文采用以下刚度退化方法9

基于Puck准则的复合材料层压板低速冲击数值分析与试验验证

20
基于Puck准则的复合材料层压板低速冲击数值分析与试验验证
DOI：1O. 19936/j. cnki. 2096-8000. 20210628. 003
2021年6月
基于Puck准则的复合材料层压板低速冲击数值分析与试验验证
李磊1,宋贵宾1,郑华勇2,程鹏飞1,赵剑3”
(1.中国飞机强度研究所，西安 710065; 2.上海宇航系统工程研究所，上海 201108; 3.同济大学航空航天与力学学院，上海 200092)
本文针对目前飞机结构常用复合材料体系开展冲击试验研究，获取不同复合材料体系损伤阻抗性能;并提出了一种基于Puck准则的渐进损伤冲击数值仿真分析方法，考虑了基于断裂应变能的损伤演化准则，通过ABAQUS/Explicit求解器对冲击过程进行数值仿真，编写相应的VUMAT子程序，预测复合材料层压板的冲击响应，建立一套能够准确模拟不同复合材料体系冲击响应过程的数值分析手段。
Table 4 Mechanical properties of T800/XX
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
参数
值
参数
值
Eu/GPa E22二 E33/GPa
©12=©13 °23
G〔2 - G^/GPa G23/GPa
165 8.88 0.288 0.3 5.55 3.52
X/MPa Xc/MPa F/MPa yc/MPa S〔2二 S13/MPa
©12=©13 °23
G〔2 - G^/GPa G23/GPa
144 9.37 0.282 0.3 5.60 3.58
X/MPa Xc/MPa F/MPa yc/MPa S〔2二 S13/MPa
p/g* cm-3
2477 1430 76.7 250 88.8 1.60

复合材料层板低速冲击剩余强度的研究

St udy on t he Post-i mpact Co mpressive Strengt h of Co mposite la m i nates ， YAN Y i ng ZENG Dong
（Depart ment of fli ght Vehicle Desi gn and Applied m echanics ， Beiji ng Uni versit y of ，， A eronautics and A stronautics Beiji ng 100083 Chi na ）摘要：针对复合材料层板受低速冲击后的剩余压缩强度问题进行分析计算，把冲击破坏区看作一个含有随
i =1 n i =1
#
P i到冲击层板的极限压缩破坏载荷。图 4 为 4 mm 层板在受极限载荷作用下的最小主应力分布云图，其绝对值最大，整块层板的主应力均为负值，其绝对值在冲击破坏区周围靠近 y 轴的地方达到最大，破坏就是从这里开始的，这与试验结果吻合。
上式效模量参数； E， ! 为未破坏区的模量参数。 ! " 中的未知量为 E，求解时显然少一个方程。 !， "，在线弹性范围内，冲击后层板受压缩时的载荷位移关系呈线性关系，通过压缩实验得到层板的总体有效模量
E总 =
P L # A
（ 2）
138
航
空
学
报
$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ 式中： ! 为在此压缩载荷P 作用下所产生的压缩位移； L 为压缩方向层板长度； A 为层板在压缩方向的横截面积； E 总是不均匀体和不均匀体周围材料的弹性性能和大小尺寸的函数，即有 ! " E 总 = g（R ， L， W， E， "， E， "）（ 3）式中： R 为冲击破坏区半径； L， W 分别为层板的长和宽。对于式（，采用拟合式来代替，即有 2）

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

ａｆｔｅｒｉｍｐａｃｔ．Ｔｈｅｉｎｌｆｕｅｎｃｅｏｆｄｅｎｔｄｅｐｔｈｏｎｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅ、ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅａｎｄｌｆｅｘｕｒａｌｓｔｒｅｎｔｈｇｏｆｌａｍｉｎａｔｅｓｗａｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ
ｂｉｇｇｅｓｔｄｅｃｒｅａｓｉｎｇａｍｐｌｉｔｕｄｅＷｓａｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｔｈｇａｆｔｅｒｉｍｐａｃｔｗｈｉｃｈｓｈｏｕｌｄｂｅｎｏｔｉｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅｉｓｉｎｆｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｄｅｎｔｄｅｐｔｈｎｄａｔｅｎｓｉｌｅ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ，ｌｆｅｘｕｒａｌｓｔｒｅｎｔｈｇ．ＫＥＹＷＯＲＤＳｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓ；ｌｏｗ —ｖｅｌｏｃｉｔｙｉｍｐａｃｔ；ｉｍｐａｃｔｄａｍａｇｅ；ｒｅｓｉｄｕｌａｓｔｒｅｎｔｈｇ
１引言
纤维增强树脂基复合材料由于具有高的比刚度和比强度、抗疲劳性能好及良好的可设计性等优点得到了广泛应用。然而，复合材料结构在使用过程中会经常遇到冲击问题，如飞鸟的撞击、维修时不慎掉落的工具和跑道上溅起的沙石等，这些冲击常使
第３期
纤
维
复
合
材
料
Ｎｏ．３
１７
２０１３年９月
ＦＩＢＥＲＣｏＭＰｏＳＩＴＥＳ
Ｓｅｐ．，２０１３
复合材料层合板低速冲击后的力学性能试验研究
邓立伟，陈新文，王海鹏，罗舒
（１．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）
（２．ＡｖｉｃＴｏｕｃｈｓｔｏｎｅＴｅｓｔｉｎｇＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００００，Ｃｈｉｎａ）
复合材料内部产生严重的基体开裂、分层以板在不同冲击能量下
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｎＣｏｍｐｏｓｉｔｅＬａｍｉｎａｔｅｓ
ａｆｔｅｒＬｏｗ —ｖｅｌｏｃｉｔｙＩｍｐａｃｔ
ＤＥＮＧＬｉｗｅｉ，ＣＨＥＮＸｉｎｗｅｎ，ＷＡＮＧＨａｉｐｅｎｇ，ＬＵＯＳｈｕ
ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅｔｅｎｓｉｌｅ、ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅａｎｄｌｆｅｘｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｆｏｒ５２２４／ＣＦ３０５２ｐｌａｉｎｗｅａｖｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓ
探讨了层合板在冲击试验过程中的损伤过程、特征和机理；分析了凹坑深度对层合板冲击后拉伸、压缩和弯曲强度
的影响规律。结果表明：冲击后拉伸、压缩及弯曲强度降幅分别为６０．９％、５０．４％及２８．４％，冲击后拉伸强度降幅最大，应引起注意。与冲击后压缩试验结果类似，凹坑深度与冲击后拉伸、弯曲剩余强度关系曲线存在拐点现象。关键词复合材料层合板；低速冲击；冲击损伤；剩余强度
（１．北京航空材料研究院，北京１０００９５）（２．中航试金石检测科技有限公司，北京１０ｏ０００）
摘
要对特定铺层的５２２４／ＣＦ３０５２平纹织物复合材料层合板进行了低速冲击和冲击后拉伸、压缩及弯曲试验。
ｒｅｓｕｈｓｓｈｏｗｔｈａｔｄｅｃｒｅａｓｉｎｇａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｔｅｎｓｉｌｅ、ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅａｎｄｌｆｅｘｕｒｌａｓｔｒｅｎｔｈｇｗｅｒｅ６０．９％，５０．４％，ａｎｄ２８．４％，ｔｈｅ