复合材料层合板低速冲击损伤方法研究

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1、第40卷第3期2010年5月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．3May．2010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栽，有此外栽从便对层合板进行相应的模拟。利用AN-SYS有限元程序对

2、复合材料层舍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：0242．1文献标识码：A文章编号：1671．654X(2010)03-0068-03引言复合材料因其具有比强度高、比刚度高和可设计性等特点，在许多重要的工程结构中得到了广泛的应用，其中复合材料层压板是常用于机身

3、的典型结构。一些相关的研究表明，对复合材料层压板结构强度威胁最大的是冲击损伤，而在制造和使用过程中常因外来物如鸟撞、工具跌落等低速冲击而出现不可恢复的损伤(如基体开裂、脱层损伤和纤维断裂等)，导致层合板强度降低。研究表明，由高强度纤维和改性环氧树脂组成的复合材料，仅5J的冲击能使复合材料的压缩强度降低到初始值的32％左右。因此，对复合材料低能量冲击的损伤问题研究一直是重要的课题，从来没有停止过¨J。对于复合材料低速冲击问题，很多学者做了大量的研究工作，对于复合材料层合板在低速冲击下损伤问题的研究，M

4、．V．Donadon，L．Iannucci，B．G．Fahon，J．M．Hodgkinson&S．F．M．deAlmeida旧1建立了三维加载的损伤模型，预测了层合板的损伤；Bostaph＆E1一ber”1在层合板的低速冲击分层问题研究中估算了其分层扩展，并对其损伤进行了数值模拟；Wu&Spring·er[41在层合板冲击问题的研究中建立了冲击模型，模拟了局部分层形状；M．F．S．F．deMoura＆A．T．Mar-quesbl对碳环氧层合板低速冲击损伤进行了分析，采用特殊壳单元研究了层问剪切应力分

5、布。ScottR．Finn&GeorgeS．Springer∞1研究了层合板在静态或冲击载荷下的分层问题，建立了分层损伤模型和接触力模型，对层合板的分层损伤进行了数值和试验研究。目前关于低速冲击的大量研究只局限于对冲击过程的研究，在复合材料受冲击以后，在其表面留有凹坑，如何基于已有的结果来分析层合板的损伤，尚没有太多的研究。此外，在层合板损伤分析中数值模拟方法有着很重要的意义。实验研究需要大量的试件和实验设备，这需要很大的人力物力投入，经济性和灵活性不好。数值方法投资少，使用方便，可以模拟大量在实验

6、中难以实现的情况，具有高度的灵活性。从而使得数值模拟技术弥补了实验方法的不足。本文以试验为基础，拟合冲击能量与凹坑深度的曲线方程，根据层合板表面的凹坑深度计算得其所受冲击能量的大小，再将冲击能量作为外载，来模拟层合板的损伤。1低速冲击实验试验件材料选用T700S／5228复合材料，铺层顺序为[45／0／一45／90]。s，试件尺寸为150x100层合板，单层厚度为0．125mm，材料参数见下表。采用ASTMD7136试验标准。试验是用直径为12．7mm落锤冲击头以不同的能量(不同高度下落)冲击试验件

7、，如图所示。冲击后可用超声c扫描仪来检测损伤区的面积及损伤区的刨面形状，用千分尺测量凹坑深度。收稿日期：2009—12．16修订日期：2010—04—06作者简介：张小娟(1982一)。女，陕西渭南人，硕士，研究方向为复合材料性能。2010年5月张小娟等：复合材料层合板低速冲击损伤方法研究·69·T700S／5228单层板性能／Gpa表E1tE1cE2tE2cG12c3lG23n2乃1坦3胁‰1371108．89．34．40．351．7441．23nyc＆0．0810．2120．124根据试验结果，

8、分别以能量E(J)和凹坑深度6(mm)为纵、横坐标作图得到如图2所示E一艿醵线。图1冲击试验装置图2冲击能量一凹坑深度曲线图2中的散点为冲击能量及与之对应的凹坑深度的实验数据，对图2的实验数据进行拟合，拟合的曲线如图中曲线所示，拟合的曲线方程为E=协∽(1)11一．，21其中k=÷压(气产+告)～，k表示接触系数"]，该二LsBz系数依赖于冲击物和复合材料结构的几何特性及其弹性模量和泊松比。式中q和E为冲头的泊松比和弹性模量，R为冲头的曲率半径；E：则表示材料最外一层