复合材料层板冲击损伤特性及冲击后压缩强度研究
第３１卷 第１期
２０１１年２月 航空材料学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ Ｖｏ１．３Ｉ，Ｎｏ．Ｉ
Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１ １
复合材料层板冲击损伤特性及冲击后压缩强度研究
林智育， 许希武， 朱伟壶
（南京航空航天大学航空宇航学院结构强度研究所飞行器结构力学与控制教育部重点实验室，南京２１００１６）
摘要：对两种材料体系（Ｔ３００／ＱＹ８９１１和＂１＂３００／５４０５）／铺层的复合材料层板进行三种支持条件（冲击点无支持、梁 凸缘或长桁凸缘支持和肋凸缘支持）、六种冲击能量等级的冲击损伤特性及冲击后压缩强度试验研究。讨论了冲
击能量、支持条件等与冲击损伤特性和剩余压缩强度的关系，研究结果表明，冲击表面凹坑深度和冲击损伤面积可
用于表征复合材料冲击损伤，而基体裂纹长度不可以用于表征冲击损伤。且随着冲击点背面支持刚度的增加，冲
击所造成的损伤随之减小。随着冲击能量的增加，冲击后压缩强度随之减小。在相同的冲击能量作用下，随着冲
击点背面支持刚度的增加，冲击后压缩强度也随之增加。
关键词：复合材料层板，冲击损伤，冲击损伤特性，剩余压缩强度
Ｄ０Ｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—５０５３．２０１１．１．０１４ 中图分类号：ＴＢ３３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－５０５３（２０１１）０１－００７３—０８
由于低速冲击损伤大大削弱一般复合材料层合
结构的承压能力，低速冲击后层合板的损伤特性以
及其压缩性能是复合材料结构损伤容限设计必须考
虑的严重情况之一，甚至可以用来对纤维增强树脂
复合材料韧性进行表征。由于低速冲击损伤压缩性
能与铺层材料、铺层顺序、厚度、试件的边界条件、支
持条件以及冲击物的特性等多种因素有关，因此复
合材料冲击损伤及其冲击后压缩强度（ＣＡＩ）的试验
研究一直是许多研究者关注的中心。
目前，复合材料层板ＣＡＩ的试验方法很多，迄
今为止，仍未形成统一的国际标准（如ＡＳＴＭ，ＩＳＯ
等）。目前常用的标准有ＮＡＳＡ¨ ，ＳＡＣＭＡ【２ ／Ｂｏｅ．
ｉｎｇ ，ＣＲＡＧ ，ＱＭＷ ，ＵＴＫ 等。损伤主要以落
锤低速冲击造成，在剩余强度试验时，避免结构的整
体失稳。
本工作参照ＮＡＳＡ标准和航空标准（ＨＢ
６７３９－－１９９３ ），选取两个结构部件上两种典型铺
层（Ａ、Ｃ）、两种材料体系（Ｔ３００／ＱＹ８９１１、Ｔ３００／
５４０５）、三种支持形式（冲击点四周悬空、有肋凸缘、
梁凸缘或长桁凸缘支持）、六种损伤能级共计２０组
８０件试验件进行冲击损伤特性及其压缩剩余强度
收稿日期；２０１０－０２．２０；修订Ｅｔ期：２０１０－０８．１８
基金项目：国家自然科学基金（１０６７２０７５）；南京航空航天大
学基本科研业务费专项科研项目资助，（ＮＳ２０１Ｏ０１ １）
作者简介：林智育（１９８Ｏ一），男，工学博士，讲师，主要从事
复合材料结构损伤容限／耐久性设计方面的研究工作，（Ｅ．
ｍａｉｌ）ｌｉｎｚｈｉｙｕ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ。 试验研究，讨论了冲击能量、支持条件等与冲击损伤
特性和冲击后剩余压缩强度的关系。
１ 层合板冲击损伤试验研究
１．１冲击试验装置
复合材料层合结构在制造和使用过程中，不可
避免地会受到损伤，尤其是低能量物体的冲击：包括
各种工具的掉落，起飞、着陆过程中从跑道卷起的石
子、轮胎碎片的撞击，空中飞行时冰雹的撞击等引起
的损伤。由于自由落体式冲击可以较好地再现上述
低能量冲击，且试验设备及操作相对简单，本试验采
用自由落体式冲击装置对复合材料层合板进行冲击
损伤预制。
冲击试验装置和试验件支持装置如图１所示。
参照ＨＢ ６７３９－－１９９３…碳纤维复合材料层合板冲击
后压缩试验方法，落锤的质量为５ｋｇ，具有一个直径
为１２．５ｍｍ的钢质半球形冲头，冲头轴线与板平面
垂直，通过调整落锤的下落高度来控制冲击能量和
速率。试件夹持在两钢板之间，冲击部分为一
１３０ｒａｍ×８０ｒａｍ的长方形区域，所有的试件均保证
不发生二次冲击。
１．２冲击损伤试验件
试验选用的两种材料体系为Ａ：Ｔ３００／ＱＹ８９１１
和Ｃ：Ｔ３００／５４０５，试件用材料的纤维体积含量约为
６０％。试件尺寸为２００ｍｍ×１４０ｒａｍ，两端加强片长
度为３０ｍｍ，铺层顺序分别为：［４５／－４５／０／－
４５／４５／ 第１期 复合材料层板冲击损伤特性及冲击后压缩强度研究 ７７
３ 冲击损伤特性分析
３．１ 冲击能量与表面凹坑深度的关系
图１３和图１４为在三种支持形式（冲击点四周
悬空、有肋凸缘、粱凸缘或长桁凸缘支持）下，在不
同能量等级冲击下，Ａ系列和Ｃ系列试验件前表面
凹坑深度（采用百分表测量）与冲击能量的关系。
从图中可以看出，随着冲击能量的增大，表面凹坑的
深度增大。在冲击点四周悬空支持条件下，在
０．７５Ｊ／层的能量等级作用下，某些试验件凹坑深度
已超过层板的厚度，此时层板已被穿透。在冲击点
背面有梁凸缘支持下，Ａ系列试验件表面凹坑深度
很小，且随能量增加很平缓。而对于冲击点背面有
长桁支持条件下，Ｃ系列前表面无目视可检冲击凹
坑损伤。对于冲击点背面有肋凸缘支持条件下，Ａ
系列和Ｃ系列试验件表面凹坑深度均小于冲击点
四周悬空支持条件下。
ｇ 皇
ｑ ．岂 ０
图１３ Ａ系列冲击能量与凹坑深度的关系
Ｆｉｇ．１ ３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｔｈ ｄｅｎｔ
ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ａ ｓｅｒｉｅｓ ｓａｍｐｌｅｓ
ｇ ￡ 专 口 ．岂 口
Ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ／Ｊ
图ｌ４ ｃ系列冲击能量与凹坑深度的关系
Ｆｉｇ．１ ４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｔｈ ｄｅｎｔ
ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｃ ｓｅｒｉｅｓ ｓａｍｐｌｅｓ
３．２冲击能量与基体裂纹长度的关系
图ｌ５和图１６为在三种支持形式（冲击点四周
悬空、有肋凸缘、粱凸缘或长桁凸缘支持）下，在不 同能量等级冲击下，Ａ系列和Ｃ系列试验件后表面
基体裂纹长度（采用游标卡尺测量）与冲击能量的
关系。随着冲击能量的增大，背面基体裂纹的长度
增大。但对于冲击点四周悬空支持条件下，当冲击
能量超过０．６５Ｊ／层时，背面基体裂纹长度的增长已
很平缓，这是因为背面基体裂纹已经到达试件的冲
击边界。对于冲击点背面有梁凸缘支持情况下，Ａ
系列试验件背面基体裂纹长度增长很平缓，与该条
件下前表面凹坑深度的增长规律相似。对于冲击点
背面有长桁支持条件下，Ｃ系列试验件冲击背面无
目视可检的基体裂纹开裂损伤。对于冲击点背面有
肋凸缘支持条件下，Ａ系列和Ｃ系列试验件冲击背
面基体裂纹长度均小于冲击点四周悬空支持条件
下。
图１５ Ａ系列冲击能量与基体裂纹长度的关系
Ｆｉｇ．１ ５ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｔｈ ｒｅｓｉｎ ｃｒａｃｋ
ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ Ａ ｓｅｒｉｅｓ ｓａｍｐｌｅｓ
图ｌ６ ｃ系列冲击能量与基体裂纹长度的关系
Ｆｉｇ．１ ６ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｔｈ ｒｅｓｉｎ ｃｒａｃｋ
ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｃ ｓｅｒｉｅｓ ｓａｍｐｌｅｓ
３．３冲击能量与损伤面积的关系
图１７和图１８为在三种支持形式（冲击点四周
悬空、有肋凸缘、粱凸缘或长桁凸缘支持）下，在不
同能量等级冲击下，Ａ系列和Ｃ系列试验件损伤面
积（采用Ｃ扫描测量）随冲击能量改变的变化规律，
可见随着冲击能量的增加，层合板的损伤投影面积
扩大。在冲击点四周悬空支持条件下，Ａ系列试验 如加∞∞ ∞ ∞如 如加三『＿
加ｍ∞如∞ ∞∞８０ 航空材料学报 第３ｌ卷
较大的影响。
６ 结论
本研究对两种典型铺层（Ａ、ｃ）、两种材料体系
（Ｔ３００／ＱＹ８９１１、Ｔ３００／５４０５）、三种支持形式（冲击
点四周悬空、有肋凸缘、粱凸缘或长桁凸缘支持）、
六种损伤能级共计２０组８０件试验件进行冲击损伤
特性及其压缩剩余强度试验研究，研究结果如下：
（１）随着冲击损伤能级能量的增加，试件表面
凹坑深度、损伤投影面积均线性增加，但冲击背面基
体裂纹达到一定程度后会趋于饱和。可以认为，表
面凹坑深度、损伤投影面积可以用于表征冲击损伤，
而基体裂纹长度不可以用于表征冲击损伤。
（２）在相同的冲击损伤能级能量作用下，不同的
支持条件，对损伤特性（表面凹坑深度、基体裂纹长
度、损伤投影面积）有着很大的影响。随着冲击点背
面支持刚度的增加，冲击所造成的损伤随之减小。
（３）复合材料层板冲击后压缩破坏同时包含了
分层扩展、子层屈曲等损伤扩展现象，但最终的失效
形式均为压缩强度破坏。
（４）随着冲击损伤能级能量的增加，试件的剩
余压缩强度随之下降。对于冲击点四周悬空情况
下，在０．４５Ｊ／层损伤能级能量作用下，Ａ系列和ｃ
系列试验件的强度降超过了６０％，已经严重影响其
继续使用。当冲击点背面有肋凸缘、梁凸缘（长桁 凸缘）支持时，下降程度有所降低。对于Ｃ系列试
验件，在有长桁凸缘支持条件下，在不同损伤能级能
量作用下，其最大强度降达到３４％，亦已对层板的
强度产生比较大的影响。
参考文献：
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ｆｌｅｄ ａｎｄ ｕｎｉｆｉｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ－ｄａｍａｇｅｄ ＣＦＲＰ ｌａｍｉｎａｔｅｓ［Ｃ］
ｆ Ｋ Ｋｉｍ ａｎｄ Ｔ Ｘ Ｙｕ ｅｄｓ．Ｉｍｐａｃｔ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ
Ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｎｄ Ｌａｍｉｎａｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｐａｒｔ Ｉ， Ｔｒａｎｓ－ｔｅｃｈ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９８，１９—３３
［７］ＨＢ ６７３９－－１９９３．碳纤维复合材料层合板冲击后压缩试
层合复合材料薄板高速冲击损伤研究
第４Ｏ卷第３期 ２００８年６月 南 京 航 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ 空航天大学学报 Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２００８
层合复合材料薄板高速冲击损伤研究
古兴瑾 许希武 黄 晶 （南京航空航天大学航空宇航学院，南京，２１００１６）
摘要：针对任意角度铺层的复合材料层舍薄板基于高速冲击过程中的能量守恒，建立了复合材料层板高速冲击 问题的力学分析模型。该模型考虑了纤维断裂、基体裂纹和分层３种主要损伤形式。根据高应变率下单层板的本 构关系，采用波的传播理论，计算复合材料层板冲击后的变形区尺寸和层板应变场，利用能量守恒迭代求解弹体 的冲击剩余速度和弹靶接触力等参量。文中着重研究了复合材料层合薄板高速冲击中的损伤面积和形状，详细 讨论了冲击速度，弹体直径以及靶板铺层情况对损伤形状和大小的影响。数值分析结果与试验吻合，证明了本文 模型的有效性。 关键词：层合复合材料；侵彻；损伤；能量吸收 中图分类号：Ｏ３８５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—２６１５（２００８）０３—０３７０—０６ Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｉｍｐａｃｔ Ｄａｍａｇｅ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｌａｍｉｎａｔｅｓ
Ｇｕ Ｘｉｎｇｊｉｎ，Ｘｕ Ｘｉｗｕ，Ｈｕａｎｇ Ｊｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｍｐａｃｔ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｉｎ ａｎｇｕｌａｒ ｐｌｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｍｉｎａｔｅｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄａｍａｇｅｓ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｄｕｒｉｎｇ ｈｉｇｈ ｖｅ— ｌｏｃｉｔｙ ｉｍｐａｃｔ ａｒｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：ｔｅｎｓｉｌｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｙａｒｎｓ，ｍａｔｒｉｘ ｃｒａｃｋｉｎｇ，ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ， ｃｏｎｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｙａｒｎｓ ｄｕｒｉｎｇ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｗａｖｅ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｒｅａ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｍｉｎａｔｅｓ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｅｎ— ｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｂｅｄ ｉｎ ｅａｃｈ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐａ— ｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｉｎ ｔｈｉｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｍｉｎａｔｅｓ ｏｎ ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｍｐａｃｔ．Ｉｎ— ｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｙｅｒ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｍｉｎａｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｓｈａｐｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ａｇｒｅｅ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ａｎｄ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉＳ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｍｉｎａｔｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｐｅｎｅｔｒａｔａｔｉｏｎ；ｄａｍａｇｅ；ｅｎｅｒｇｙ ｏｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
基于Abaqus的复合材料板冲击特性分析
第２２卷增刊２ ２０１３年１０月 计算机辅助工程 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．２２ Ｓｕｐｐ１．２ ０ｃｔ．２０１３
文章编号：１００６—０８７１（２０１３）ｓ２．００２１—０５
基于Ａｂａｑｕｓ的复合材料板冲击特性分析
朱东俊， 葛亮， 刘莹， 叶亚龙
（哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨１５０００１）
摘要：基于Ｈａｓｈｉｎ准则，用Ａｂａｑｕｓ建立玻璃纤维／５氧树脂复合材料板的冲击仿真计算模型，分析
材料在不同冲击能量、冲击质量与冲击速度影响下的初始损伤和损伤演化特性．通过对比发现仿真 计算结果与试验结果吻合较好，表明该仿真计算模型对此材料的冲击预测有效．
关键词：复合材料；冲击；损伤；Ａｂａｑｕｓ 中图分类号：Ｖ２１４．８；ＴＢ３３２ 文献标志码：Ｂ
Ａｎａｌｙｓｉｓ ０ｎ ｉｍｏａｃｔ ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉＣＳ ０Ｉ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌＡ ● ｌ － － ＇ ‘ － Ｊ－ ●■ －● ● －
ｐｌａｔｅｓ ｂａｓｅｄ ０ｎ Ａｂａｑｕｓ
ＺＨＵ Ｄｏｎｇｊｕｎ，ＧＥ Ｌｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｙｉｎｇ，ＹＥ Ｙａｌｏｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈａｓｈｉｎ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ，ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｇｌａｓｓ／ｅｐｏｘｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ
ｐｌａｔｅｓ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ Ａｂａｑｕｓ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ，ｉｍｐａｃｔｏｒ ｍａｓｓ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｄａｍａｇｅ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
低速冲击后三维中空夹层复合材料的压缩损伤容限
２０１０年第５期 玻璃钢／复合材料
低速冲击后三维中空夹层复合材料的压缩损伤容限
曹海建，钱坤，魏取福，李鸿顺
（江南大学纺织服装学院，无锡 ２１４１２２）
摘要：为了研究低速冲击后三维中空夹层复合材料的压缩损伤容限（剩余压缩强度），制作了满足要求的实验件并进行
了剩余压缩强度对比实验。采用数码照片和外观检测等方法对压缩破坏损伤发展的过程进行了研究，分析了压缩破坏机理。
结果表明，冲击损伤严重影响了三维中空夹层复合材料板的抗压能力，剩余压缩强度随冲击能量的增加而减少；三维中空夹层
复合材料的压缩破坏主要由前面板控制，前面板发生局部屈曲的载荷与板的压缩破坏载荷几乎相等；表面蒙皮不仅能减少冲
击损伤，而且能使板内的损伤显露在表面，容易让人发现。
关键词：三维中空夹层复合材料；压缩损伤容限；剩余压缩强度；低速冲击
中图分类号：ＴＵ３３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—０９９９（２０１０）０５—００１１—０５
三维中空夹层复合材料因具有比强度、比刚度
高，特别是整体性、可设计性等特点，在许多重要的
工程结构中得到了广泛的应用。但是三维中空夹层
复合材料本身对冲击作用比较敏感，使得材料在受
到外物冲击后很容易出现损伤，结果导致其剩余强
度（损伤容限）特别是剩余压缩强度大幅下降，严重
影响该材料的应用¨－６ ３。因此，研究三维中空夹层
复合材料的低速冲击损伤及冲击后的剩余力学性能
显得非常重要。
与层合板结构复合材料相比，对三维中空夹层
复合材料低速冲击后的剩余力学性能研究还处于起
步阶段。程小全等 研究了小尺寸层合板试件低速
冲击后的剩余压缩强度，并建立了一种预测、估算模
型一冲击损伤软化夹杂模型；燕瑛等 研究了能量对
复合材料层合板的冲击损伤及损伤容限的影响，并
采用有限元软件建立了相应的分析模型；林智育
等 研究了不同材料体系和铺层的复合材料层合板
低速冲击后剩余压缩强度，并建立了一种椭圆形弹
玻璃纤维复合材料层合板冲击后的压缩强度
玻璃纤维复合材料层合板冲击后的压缩强度
蔡奕霖;周仕刚
【摘 要】对不同厚度的二维编织环氧玻璃纤维层合板进行落锤冲击试验及冲击后压缩破坏试验,以研究低速冲击对复合材料层合板剩余压缩强度(CAI)的影响.用透光描影及热揭层方法对冲击损伤形式进行描述.讨论了损伤宽度、损伤面积与冲击能量及剩余压缩强度、模量间的关系,并建立有限元模型,采用开口等效及软化夹杂等分析方法对材料的冲击后压缩强度值进行估算.
【期刊名称】《纤维复合材料》
【年(卷),期】2010(027)001
【总页数】5页(P8-12)
【关键词】玻璃纤维织物;复合材料层合板;低速冲击;冲击后压缩强度(CAI)
【作 者】蔡奕霖;周仕刚
【作者单位】同济大学,航空航天与力学学院,上海,200092;同济大学,航空航天与力学学院,上海,200092
【正文语种】中 文
玻璃纤维复合材料的力学性能虽低于先进复合材料,但由于其良好的透波性及经济性等特点因而在飞机驾驶舱、地效飞机、冲翼艇、高速列车车体(头)等部位得到应用[1]。复合材料结构的一大弱点在于对冲击损伤的敏感性,尤其是低速冲击时在复合材料板的表面几乎不留下看得见的痕迹,然而其内部或板的背面却有大面积的层间分层、基体开裂和纤维断裂,大大降低了复合材料性能,特别是压缩强度。因此,对玻璃纤维复合材料的冲击后压缩强度 (Compression After Impact,CA I)值的研究有着重要的理论和实践意义。
完整的 CA I试验分为落锤冲击试验和冲击后压缩试验两部分,国内外有多个试验方法[2-5]。本文按照《纤维增强塑料层合板冲击后压缩性能试验方法》(GB/T21239-2007)[6]标准规定的方法,对一种型号为 3240的二维编织环氧玻璃布层合板,选取一定范围的能量进行落锤冲击和 CA I试验。采用透光描影的方法对试件的损伤形式和尺寸进行测定,并分析了损伤尺寸与层合板冲击能量,冲击后压缩强度等的关系。
重要复合材料板冲击拉伸性能的实验研究与数值模拟
⑧蕊。丝。王：黛。盔：鐾
硕士学位论文
题目复佥挝料题进圭揎盟丝篮
的实验研究与数值模拟
学科、专业
指导教师
申请学位日期摘要
随着纤维增强复合材料在航空、航天、兵器、汽车工业以及其他领域Ｅｌ益广泛的应用，
研究在动载荷作用下复合材料的力学性能、变形和破坏机理越来越受到工程界和学术界的关
注。实际生活中经常会遇到各种类型的冲击载荷，复合材料层合板对冲击载荷的作用很敏感，容易受冲击而损伤，由此导致复合材料构件的强度或承载能力下降。因此，研究复合材料的动态力学行为以及冲击问题，分析和预测复合材料在冲击载荷下的力学性能，萨确认识复合
材料层合板在冲击载荷下的损伤演化和破坏机制，对于评定复合材料的抗冲击损伤性能，复
合材料结构的损伤容限验证、分析以及确定复合材料结构的设计许用值，保证结构的安全性，
无疑具有非常实际的意义。本项目就是针对复合材料在高应变速率下的力学行为，从实验测
试、理论分析和数值模拟三个方面进行研究，具体内容包括：
在高应变率下，测试了玻璃布一环氧层合板和碳纤维增强复合材料板这两种材料在冲击
载荷下的应力应变曲线，确定了杨氏模量、拉伸强度、破坏应变和泊松比等力学参数；
对含缺陷，损伤的复合材料层合板进行实验测试，分析其损伤扩展过程和特征，研究应变
率对材料破坏和损伤演化过程的影响：实验结果表明：玻璃布一环氧层合板和碳纤维增强复合
材料板具有明显的应变率效应。通过对带裂纹试件的测试，还表明这两种层板材料具有动态韧
性：
对高应变率下复合材料层合板的力学响应以及失效情况进行数值模拟：运用Ａｎｓｙｓ结构
分析模块建立了带连接段的ＳＨＰＢ实验模型：运用Ａｎｓｙｓ的复合材料层板结构模拟了复合材
料层合板试件；运用瞬态分析方法模拟冲击载荷下的应力波的传播过程；运用Ａｎｓｙｓ提供的
粘弹性材料模型模拟粘接胶层部位的受力过程；根据蔡一吴失效准则进行了复合材料层台板
的初步失效分析。
关键词：
复合材料层合板高应变率本构模型实验测试有限元数值模拟ＡＢＳＴＲＡＣＴ
复合材料层合结构抗冲击性能研究进展
2021年第2期复合材料科学与工程115复合材料层合结构抗冲击性能研究进展石南南2,亢志宽1>2*,王利辉,王小娟2,赵 卓(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124； 2.北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124) 摘要：层压复合材料因具有良好的综合力学性能，被广泛用于工业民用、建筑桥梁、军事等结构中。综述了四类复合材料 层合结构的抗冲击性能，包括纤维增强复合材料、混杂纤维增强复合材料、仿生复合材料和功能梯度复合材料。总结了国内外 复合材料层合结构抗冲击性能的研究现状，分析四类常见复合材料层合结构的抗冲击特性。结合复合材料层合结构抗冲击性 能的研究进展，对未来复合材料层合结构在抗冲击方面的应用进行了展望。关键词：复合材料；抗冲击性能；层合结构；堆叠顺序；功能梯度中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：2096-8000(2021)02-0115-08层压复合材料由于具有良好的耐腐蚀、抗疲劳 及良好的材料和结构可设计性等因素被广泛用于工 业民用、建筑桥梁、军事等结构中。然而，复合材料 层合结构使用过程中，若受到冲击损伤，其内部会产 生微观损伤，从而会严重影响复合材料层合板的剩 余强度、耐久性及稳定性［1］。因此，许多学者对层压 复合材料在抗冲击性能方面进行了深入的研究。通过整理相关文献,将常见的层压复合材料大 致分成了纤维增强复合材料、混杂纤维增强复合材 料、仿生复合材料和功能梯度复合材料四类。纤维 增强复合材料层合板［2］有很多优良特性,如比强度 高、可设计性强等，被用于土木工程、军事、船舶等多 个领域，纤维增强复合材料层合板还可以进一步分 为碳纤维复合材料层合板［3］、玻璃纤维复合材料层 合板［4］、芳纶纤维复合材料层合板［5］等。混杂纤维 增强复合材料板［6］是具有多种纤维特性的复合材料。 仿生复合材料层合板是根据生物材料的组分或堆叠 顺序等因素而设计的。生物材料融合了许多特性,高 性能的轻质材料由相对较弱和普通的成分制成，是 进化发展的结果［7,8］o功能梯度复合材料层合板［10］ 是组成元素不断变化的新型材料，具有更轻、更坚 固、抗冲击性能更强等突出优点。本文主要分析了纤维增强复合材料、混杂纤维 增强复合材料、仿生复合材料和功能梯度复合材料 四类复合材料层合结构的抗冲击特性,总结了国内 外复合材料层合结构抗冲击性能的研究现状， 对复 合材料在抗冲击方面的研究进行了展望。1抗冲击层合结构复合材料概念及特征1.1纤维增强复合材料纤维增强复合材料(FRP)是由增强纤维与基体 两种材料，通过一定的工艺技术而形成的复合材料。 纤维增强复合材料根据增强材料的不同，可以分为 碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料以及 芳纶纤维增强复合材料等。1. 2混杂纤维增强复合材料混杂纤维增强复合材料是由两种及以上纤维增 强一种及以上树脂基体的复合材料，对形成的复合 材料力学性能有一定的优化,能兼具多种纤维的优 点，同时可以降低成本。1.3仿生复合材料将不同材料仿照生物体结构特征与抗冲击性能 而设计、制备的复合材料，可以获得比组成材料更好 的抗冲击性能。1. 4功能梯度复合材料功能梯度材料(FGM)是由金属与非金属或其 他几种性质相差较大的材料复合,通过渐变设计,沿 厚度方向连续改变其成分、组成或结构的材料。这 些材料的特性和功能表现为可变的梯度特性。2复合材料层合结构抗冲击性能研究现状目前抗冲击层合结构复合材料的研究领域正在 收稿日期：2020-03-16基金项目：国家自然科学基金青年项目(51708008)作者简介：石南南( 1984-),女，博士，讲师，主要从事超材料设计与应用方面的研究。通讯作者：亢志宽(1995-),男，硕士研究生，主要从事超材料减震性能和复合材料抗冲击性能方面的研究，******************
冲击载荷下纤维金属层板损伤行为及动态响应特性研究共3篇
冲击载荷下纤维金属层板损伤行为及动态响应特性研究共3篇
冲击载荷下纤维金属层板损伤行为及动态响应特性研究1
冲击载荷下纤维金属层板损伤行为及动态响应特性研究
随着工业化的不断发展，机械设备的运用范围不断扩大，传统金属材料的性能已经满足不了实际需求。因此，纤维金属层板作为一种新型的复合材料在这个背景下应运而生。与传统金属相比，纤维金属层板具有质量轻、强度高、耐腐蚀、耐磨损、耐腐蚀、受力均匀等优点，被广泛应用于国防、航空航天、汽车制造、建筑结构等领域。
然而，在实际使用中，纤维金属层板受到高速或冲击载荷的作用，易产生损伤，对其安全性能造成严重影响。为了研究冲击载荷下纤维金属层板的损伤行为及动态响应特性，需要深入探究其内部材料组成与结构特征。
首先，纤维金属层板的组成包括纤维层和金属层两部分。纤维层常常选用的是碳纤维、玻璃纤维等等。金属层分为薄板和薄壁圆柱两种，常用的有铝合金、钛合金等。在工程应用中，为了提高纤维金属层板的性能，通常采取叠层压制手段，使其层数增加，材料厚度减薄，从而达到减重、增强强度的目的。
其次，纤维金属层板在受到冲击载荷作用时的损伤行为与动态响应特性与其结构密切相关。在纤维层被击中后，首先会发生纤维局部断裂和贯穿破坏，然后金属层开始塑性变形和破裂，最终形成各种不同形状和大小的孔洞，使纤维金属层板失去力学性能，容易造成机构损坏。
最后，为了更好地探究纤维金属层板损伤行为及动态响应特性，可以进行数值模拟分析。数值模拟可以采用有限元方法，建立合适的计算模型。通过对其建模、分析其受力形式，及时找到加固方案，可以有效提高纤维金属层板的抗损伤性能，保障其应用的安全性。
总之，冲击载荷下纤维金属层板损伤行为及动态响应特性研究是一项热点和难点问题。只有深入剖析其组成结构，研究其受力形式，并建立合理的数值模拟计算模型，才能有效提高其抗损伤性能，确保其安全可靠的应用于各领域
综上所述，纤维金属层板的组成与结构特征对其在受到冲击载荷时的损伤行为和动态响应特性有着至关重要的影响。通过深入研究其组成结构，建立合理的数值模拟计算模型，可以有效提高其抗损伤性能，保证其应用的安全性。因此，对纤维金属层板的研究应加强，以满足其在航空、航天等领域的高强度、轻量化需求
纤维增强复合材料层合结构冲击损伤
纤维增强复合材料层合结构冲击损伤
纤维增强复合材料层合结构冲击损伤
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纤维增强复合材料层合结构冲击损伤
复合材料定义：
复合材料通常由基体材料和增强材料两大组分构成，它不仅保持了组分材料自身的优良性能,而且通过材料互补改善或突出某些特殊性能。改变组分材料品种或比例，可以得到不同品种和性能的复合材料。
复合材料分类：
复合材料可分为金属基复合材料与非金属基复合材料，非金属基复合材料可分为树脂基复合材料与陶瓷基复合材料，树脂基复合材料具有质量轻、易于加工和改型等优点.
复合材料特点：
1. 具有较高的比强度和比刚度
2. 具有良好的抗疲劳性能
3. 具有良好的减振性能
4. 具有良好的可设计性
复合材料中的主要缺陷：
先进复合材料中的缺陷类型一般包括: 孔隙、夹杂、裂纹、疏松、纤维分层与断裂、纤维与基体界面开裂、纤维卷曲、富胶或贫胶、纤维体积百分比超差、 纤维基体界面结合不好、铺层或纤维方向误差、缺层、铺层搭接过多、厚度偏离、
磨损、划伤等。其中孔隙、分层与夹杂是最主要的缺陷。材料中的缺陷可能只是一种类型， 也可能是好几种类型的缺陷同时存在.
缺陷对复合材料性能的影响：
复合材料在成型、固化、使用过程中产生各种缺陷，不同的缺陷对复合材料性能都有着或多或少的影响。孔隙是复合材料中常见的缺陷之一,过多的孔隙可降低复合材料层间剪切强度约30 ％。当受冲击及长期疲劳时 ,富脂及贫脂区首先开裂，这也标志着这些区域的力学性能不同程度降低。纤维束的断裂也可使碳纤维复合材料拉伸强度下降约25 ％，压缩强度损失约11 ％。加工过程中直径 10mm 纸屑的进入零度层（0° / ±45°）碳纤维蜂窝结构导致压缩强度降低约25 %.热塑性复合材料碳纤维/ PEEK纤维弯曲导致压缩强度降低约 20 ％.
冲击载荷下复合材料层板的力学试验
冲击载荷下复合材料层板的力学试验
一、试验目的
本试验的目的是测定冲击载荷下复合材料层板的应力-应变曲线，确定其力学性能参数，并分析复合材料层板的力学性能，为其在航空航天领域、汽车工业、船舶工业等领域的应用提供依据。
二、试验材料
本试验所用材料为复合材料层板。
三、试验设备
1、压力机：对试件施加冲击载荷，使用万能材料试验机。
2、测量设备：如应变计、位移计等。
四、试验步骤
1、试样的制备
试样尺寸为(100mm*100mm*10mm)的矩形块层板。根据实验要求和复合材料的特性，将试样制备出来。
2、试样的安装
试样安装在试验机上，并调节好安装位置，以保证试样在施加载荷时不会发生偏斜等情况。
3、试验参数设定
根据试验要求，设定试验参数，包括施加载荷的大小、施加载荷的速率等。
4、施加载荷
开始进行试验，施加载荷至试样破坏，并记录试样在施加载荷时的应力和变形情况。
五、试验结果及分析
根据试验所得到的数据，绘制应力-应变曲线，并分析试样在复合材料层板破坏前后的力学性能。
通过试验可得到复合材料层板在冲击载荷下的应力-应变曲线，根据曲线分析可得到复合材料层板在加载时会先产生弹性变形，接着在一定应力下进入塑性变形阶段，最终达到破坏点。此外在试验过程中还需根据试验情况对应变计、位移计等进行采集数据，并分析试样在施加载荷时的应力、应变、变形情况等参数，从而更好的分析复合材料层板的性能。对于试验所得到的数据和分析结果，还需对比其他相关试验数据，从而制定合理的产品标准和规格要求。
北京理工大学李营教授团队提出复合材料层合板抗冲击新措施
北京理工大学李营教授团队提出复合材料层合板抗冲击新措施
多次冲击载荷作用下复合材料的动力学性能研究具有重要的科学意义和工程价值，而现有大部分研究都只是针对复合材料开展单一载荷下的力学特性分析，缺乏多次载荷作用下复合材料层合板的力学性能与变形过程研究。北京理工大学李营教授团队提出热塑性层提升复合材料结构抗冲击性能，开展了多次冲击载荷作用下复合材料层合板的力学性能和变形机理研究，比较了两个位置之间四个冲击距离下的结构冲击响应。
图1 复合材料层合板低速冲击实验过程
通过记录记录性能曲线和最终状态，如冲击力时间/中心位移曲线和分层损伤投影面积来分析变形机理。实验结果表明，不同冲击能量作用下，界面性能会很大程度上决定结构的冲击损伤模式。随着加载时间的增大，冲击力呈现增大趋势并且逐步达到峰值，之后会出现冲击力的突然下降，这是由于纤维突然断裂导致的。
图2 低速冲击力-时间曲线 通过比较，最大中心位移可以表征两个冲击位置的互相影响程度。此外，在具有冲击诱导纤维断裂的高冲击能量下，随着冲击距离的增加，第二次冲击的主要能量耗散模式从纤维损伤变为分层损伤，不同加载能量下结构具有不同的损伤模式。
图3 复合材料层合板冲击损伤C扫描图
图4 损伤状态扫描电镜微观分析
北京理工大学李营教授团队的该研究揭示了复合材料层合板在低速冲击载荷作用下的力学响应和变形机理，为复合材料层合板的工程应用提供设计指导和评估参考。