复合材料的低速冲击特性与损伤模式
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。
复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤研究
复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤研究复合材料蜂窝夹芯板是一种轻质高强度的材料，广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等领域。
然而，在实际使用过程中，复合材料蜂窝夹芯板容易受到低速冲击损伤，影响其使用寿命和安全性能。
因此，对复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤进行研究具有重要意义。
复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤机理主要包括弯曲、剪切、拉伸和压缩等多种形式。
其中，弯曲和剪切是最常见的损伤形式。
在低速冲击过程中，复合材料蜂窝夹芯板的表面会出现裂纹和凹陷，进而导致板材的强度和刚度下降。
为了研究复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤，研究人员采用了多种方法，如数值模拟、实验测试和理论分析等。
其中，数值模拟是一种有效的手段，可以预测复合材料蜂窝夹芯板在低速冲击下的损伤情况。
实验测试则可以验证数值模拟的结果，并提供更加真实的数据。
理论分析则可以深入探究复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤机理和规律。
研究表明，复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤与多种因素有关，如冲击速度、冲击角度、板材厚度、芯材类型和面板材料等。
其中，板材厚度和芯材类型是影响复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤的重要因素。
较厚的板材和高强度的芯材可以提高复合材料蜂窝夹芯板的抗冲击性能。
为了提高复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击性能，研究人员提出了多种方法，如改变芯材结构、增加面板厚度、加强面板和芯材之间的粘结等。
其中，改变芯材结构是一种有效的方法，可以通过设计不同形状和大小的蜂窝结构来提高复合材料蜂窝夹芯板的抗冲击性能。
总之，复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤是一个复杂的问题，需要综合运用数值模拟、实验测试和理论分析等方法进行研究。
通过深入探究其损伤机理和规律，可以为提高复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击性能提供理论基础和技术支持。
复合材料板的低速冲击与损伤刚度矩阵之间的关系
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复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤研究
的周 期性 ， 因此 一 般采 用 均 匀 化 的方法 将其 等 效 为 连续 体 。 国 内外 学 者 通 过 研 究 给 出 了等 效 蜂 窝 芯 子弹 性 常数 的预报 公 式 ， 研 究 了弹性 常数 与 蜂 窝 并 芯子 材料 和几 何 尺 寸 的关 系 。Ｖ ｉｙ 人 ，对 低 ａｄａ等 ６ 速 冲击下 中空 的 环 氧 树 脂 蜂 窝 夹 芯 板 的 冲 击 力 学 性能 进行 了实 验研 究 ， 与 泡 沫 材 料 和 蜂 窝 芯子 进 并
等效为均匀 的正交各项异性材料 。采用基 于应 变的 Ｈ ｓｉ ａｈｎ三维失效准则和 Ｙ ｈ分层失效准则对面板 损伤进行 判断。使 用部 ｅ 分刚度折减对损伤材料性 能进行退化 。利用用 户子程序 将损伤判据和刚度 折减 方案引入到 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ软件 中。模拟 了复合材
料蜂窝夹芯板低速冲击损伤 渐进过程 ， 与试验结果进行验证 。证 明了该方 法的合理性 ， 并 最后讨论 了各 种参数对冲 击响应和
第 一作 者简介 ： 李进亚 （９ ６ ） 硕 士， 究方 向： １８ 一 ， 研 力学仿 真与建模 。
Ｅｍａ ：ｊ ｙ＿６ ＠ １３ ｔｍ。 － ｉ ｌｉ ａ １ ３ ６ ．ｏ ｌ ｉｎ
复合材料蜂窝板 的低速 冲击损伤有多种损伤 模式 ， 且在冲击过程 中各种损伤模式 间有相互耦合 作用。为了简化蜂 窝板 的低速冲击模型， 只考虑 了
第１ ２卷
第１ ０期
２１ ０ ２年 ４月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ．１ Ｎｏ ０ Ａｐ ．２０１ １ ２ ．１ ｒ ２
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。
碳纤维复合材料低速冲击特性及损伤分析研究
碳纤维复合材料低速冲击特性及损伤分析研究钭李昕;王秋成;陈光耀【摘要】针对碳纤维复合材料汽车保险杠的低速耐冲击性能问题,利用真空辅助树脂扩散成型工艺制备了不同铺层比例与铺层顺序的碳纤维复合材料试样,对其进行了简支梁低速冲击性能试验,根据低速冲击响应特性曲线及损伤模式探究了复合材料能量吸收机理;同时基于ABAQUS/Explicit对典型铺层试样建立了简支梁冲击仿真模型,利用Hashin失效准则进行失效判断,研究了低速冲击响应应力变化及损伤过程并将模拟结果与实验值进行了比较.研究结果表明:碳纤维复合材料简支梁低速冲击主要损伤模式为纤维断裂,通过增加(0,90)铺层能够提高接触力载荷与冲击韧性强度,通过在试样冲击表面铺设(±45)铺层能够缓解结构剧烈破坏.峰值载荷误差为5.1％,峰值位移误差为3.2％,证明了模型的有效性,为碳纤维复合材料保险杠提供了设计基础.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2016(033)007【总页数】7页(P815-821)【关键词】碳纤维复合材料;低速冲击;损伤分析;有限元仿真【作者】钭李昕;王秋成;陈光耀【作者单位】浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TH145.4;TB332碳纤维复合材料拥有较高的比强度与比刚度，是优质的轻量化材料，广泛应用于航天航空及汽车等行业。
但是复合材料结构在使用过程中会承受低能量冲击作用，造成损伤破坏。
为了保证耐冲击结构件在使用过程中具有良好的冲击韧性与吸能特点，利用低速冲击的方法探究其冲击特性及其破坏模式。
Tiberkak等[1]通过有限元分析方法研究了落锤低速冲击响应下的损伤预测。
结果显示，随着90°铺层的增加，接触力载荷会随之增加。
胡靖元[2]研究了纤维织物增强复合材料落锤低速冲击特性的试验研究，探究了其低速破坏模式与能量吸收机理。
高性能航空复合材料低速冲击损伤分析
高性能航空复合材料低速冲击损伤分析张文超;关志东;李思琪;谭日明【摘要】针对复合材料层合板冲击损伤模拟问题,基于各向异性材料连续介质损伤力学分析法,采用基于应变描述的失效判据来判断损伤,引入材料损伤状态变量对复合材料损伤情况进行描述;并考虑材料的剪切非线性,建立了复合材料层合板在低速冲击作用下的3D非线性连续损伤有限元模型.通过编写VUMAT材料用户子程序可以实现层内各类损伤的判断和演化.使用界面单元模拟层间区域,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律.为了更准确模拟试验中层合板的动态响应,有限元模型较为真实地反映了实际的试验条件.有限元模拟结果与试验结果吻合较好,证明了基于该方法建立的有限元模型的有效性.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)003【总页数】7页(P163-169)【关键词】复合材料;连续损伤;低速冲击;界面单元;有限元分析【作者】张文超;关志东;李思琪;谭日明【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】V257近年来，复合材料因其具有比强度和比刚度高、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀等许多优异特性，被广泛应用于各个领域，尤其是在航空航天领域。
然而，在生产、使用和维护过程中，复合材料结构不可避免地遭受来自冰雹、碎石、工具坠落等各种情况的冲击，此类低速冲击会造成不可恢复的层内损伤（如基体开裂、纤维断裂等）和层间分层。
这些损伤会显著降低复合材料结构的强度尤其是压缩强度，并影响结构的使用安全；特别是在遇到面外小能量冲击时，表面无明显损伤，但内部却出现分层。
因此，建立能够精确模拟复合材料结构低速冲击过程和准确预测可能出现损伤形式的模型是十分紧迫的。
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复合材料的低速冲击特性与损伤模式
查阅了与之相关的文献，具体实验如下： 采用以PBT(poly butylene terephthalate)为基体、 双向编织的平纹玄武岩纤维布为增强基的复合 材料层合板。文中落锤冲击试验过程根ASTM 实验标准执行，试样尺寸为120mm×120mm， 冲头为直径12.7mm的球头，在落锤试验机上通 过改变落锤的高度来调节冲击能量，其中冲头 的质量为16kg，分别对试样施加100J和50J的冲 击能量。
损伤分类
宏观（变形状态）： 弹性损伤 弹塑性损伤 蠕变损伤 疲劳损伤 微观（损伤形式）： 微裂纹损伤（micro-crack） 微孔洞损伤（micro-void） 剪切带损伤（shear bond） 界面（interface）
损伤力学旨在建立受损材料的本构关系、 解释材料的破坏机理、建立损伤的演变 方程、计算构件的损伤程度、从而达到 预估其剩余寿命的目的。
实验设备
对于复合材料层合板来说，主要是 通过弹塑性变形和损伤来吸收冲击动能， 而损伤失效模式主要表征为穿透、侵入、 基体开裂、基体挤压、纤维断裂和分层 等。 设置两个冲击能量，大小分别为50J 和100J。当冲击能量为50J时，复合材料 呈现为侵入损伤模式; 当冲击能量为100J 时，复合材料呈现为穿透损伤模式。
损伤力学简介
讲稿人： 闫华杰 指导教师：王吉会
Contents
损伤相关概念 损伤分类 复合材料的低速冲击特性与损伤模式
相关概念
损伤：在外载和环境的作用下，由于细 观结构的缺陷（如微裂纹、微空洞）引 起的材料与结构的劣化过程，称为损伤。 损伤及在变形过程中损伤的 演化发展直至破坏（微裂纹的萌生、扩 展或演变、体积元的破裂、宏观裂纹形 成、裂纹的稳定扩展和失稳扩展）力学 过程的学科。
侵入损伤的典型曲线——冲头位移速度能量以及 接触力随时间位移的变化曲线。
穿透损伤的典型曲线——冲头位移速度能量以及 接触力随时间位移的变化曲线。
冲击实验结果显示: 冲击能量的大小 直接影响了复合材料对应的损伤模式冲 击能量为50 J时，复合材料呈侵入损伤; 冲击能量为100J时，复合材料呈穿透损 伤，且侵入损伤呈闭环特性，能量比率 小于1；而穿透损伤呈开环特性，能量比 率等于1。