西安建筑科技大学先进复合材料（西北工业大学-复合材料低速冲击能量与损伤及剩余强度之间的联系）

西安建筑科技大学先进复合材料（西北工业大学-复合材料低速冲击能量与损伤及剩余强度之间的联系）（2）仿真分析图1 复合材料（a）低速冲击试验（b）冲击后压缩试验2、内容简介（1）试验研究该文首先采用CCF300/BA9916II复合材料层合板，分别参考ASTM D7136和ASTM D7137标准进行低速冲击试验和冲击后压缩试验，如图1所示。

1、引言

复合材料因其比刚度高、比强度高以及耐疲劳等优点，被广泛运用于航空航天领域。在复合材料应用于飞机结构设计的早期，由于当时设计者对复合材料性能特征缺乏了解，所以仍沿袭金属材料结构损伤容限设计概念。当这些复合材料结构部件返回检修时，发现冲击造成的损伤对复合材料结构的剩余性能影响非常大。复合材料飞机结构的使用经验表明：在结构完整性方面与金属结构的最大差别是其耐久性和损伤容限要求，其中尤为重要的是低速冲击损伤。复合材料的低速冲击损伤一般具有目视不可见性（BVID），并且会造成结构承载能力下降超过50%。因此一直以来，低速冲击损伤一直是设计师和航空公司关注的重点之一，也是开发新材料时关注的焦点。

2021年，复合材料力学领域重点期刊《Journal of Reinforced Plastics and Composites》发表了西北工业大学郑锡涛教授团队在复合材料层合板低速冲击损伤方面的试验研究和有限元仿真工作，论文标题为“Bridging the low-velocity impact energy versus impact damage and residual compression strength for composite laminates”，第一作者为西安交通大学机械工程学院助理教授张迪博士。

该论文建立了考虑纤维弯折（fiber kinKing）和分层损伤的三维渐进损伤分析模型，并在此基础上通过有限元分析给出了冲击能量和冲击损伤及冲击后剩余压缩强度（CAI）的普遍关系。研究结果指出：在冲击能量较低时，损伤面积CAI随着冲击能量线性变化，当冲击能量超过一定值之后，损伤面积（或CAI）—冲击能量曲线将呈现水平趋势，即损伤面积（或CAI）不再随着冲击能量的增大而增大（或减小）。

2、内容简介

（1）试验研究

该文首先采用CCF300/BA9916II复合材料层合板，分别参考ASTM D7136和ASTM D7137标准进行低速冲击试验和冲击后压缩试验，如图1所示。

图1 复合材料（a）低速冲击试验（b）冲击后压缩试验

（2）仿真分析

接着建立了仿真分析模型，包括层内损伤和层间损伤（分层），其中层内损伤基于LaRC05失效准则，并考虑了横向压缩断裂面；层间损伤基于Abaqus内嵌的Cohesive单元和双线性traction–separation 模型；图2为LaRC05失效准则中的纤维弯折分析模型示意图，图3为基体压缩损伤模型示意图。图4所示为有限元模型。

图2 纤维弯折模型示意图	图3 基体压缩损伤示意图

图4 有限元模型

（3）结果讨论

图5所示为CCF300/BA9916II复合材料层合板低速冲击载荷下试验结果与仿真结果的对比；图6、图7和图8分别为不同铺层CCF300/BA9916II复合材料层合板低速冲击损伤形貌及冲击后压缩应力应变曲线及破坏模式的试验结果与仿真结果对比，可以看出不论是低速冲击的力学响应结果、损伤区域的长度和宽度，还是冲击后压缩响应都得到了良好的预测。

图5 CCF300/BA9916II复合材料层合板在冲击能量35 J时，S2力学响应的试验结果与仿真结果对比：（a）力-时间响应（b）力-位移响应（c）和能量-时间响应

图6 不同铺层CCF300/BA9916II复合材料层合板冲击损伤面积试验与仿真结果对比

图7 不同铺层CCF300/BA9916II复合材料层合板冲击后压缩试验与仿真结果对比

图8 不同铺层CCF300/BA9916II复合材料层合板冲击后压缩破坏模式试验与仿真结果对比

图9所示为不同铺层CCF300/BA9916II复合材料层合板CAI随冲击损伤面积的变化趋势，每个数据集都带有一条线性趋势线。有趣的是，两条拟合的线性线几乎是平行的。这意味着受低速冲击复合材料层合板的CAI强度可以通过检测到的损伤面积来反映，这在工程领域具有一定的使用价值。

低速冲击能量与损伤面积和CAI的关系如图10所示。可以看出，冲击能量与损伤面积和CAI之间的关系不是大部分文献所描述的线性关系，而是呈指数形式。如图10(a)所示，随着冲击能量的增加，损伤面积增加，但在冲击能量超过35J后，损伤面积几乎维持不变。类似地，在图10(b)中，CAI随着冲击能量的增加而降低，在冲击能量超过35J后，曲线变为水平，因此冲击能量进一步的增加不再导致CAI降低。这些现象反映了复合材料层合板在承受低速冲击和冲击后压缩载荷时存在阈值，这里损伤面积和CAI阈值可用于表征复合材料层合板的损伤阻抗和损伤容限，进一步为复合材料结构的设计和分析提供指导。

图8 不同铺层CCF300/BA9916II复合材料层合板CAI随冲击损伤面积的变化

图9 不同铺层CCF300/BA9916II复合材料层合板（a）损伤面积-冲击能量和（b）CAI-冲击能量曲线

3、结论

该文针对CCF300/BA9916II复合层合板的低速冲击及冲击后压缩进行了试验和数值研究。在所建立的三维渐进损伤分析模型中，层内损伤考虑了纤维弯折和横向断裂角度。分析结果显示该模型能够捕捉低速冲击和冲击后压缩造成的损伤模式，并且相关特征参量的有限元分析结果与试验结果吻合良好。研究显示，CAI与损伤面积呈线性关系，而冲击能量与损伤面积及CAI呈指数关系。文章指出，冲击能量超过35J后，损伤面积和CAI随着冲击能量的增大几乎保持水平变化。该阈值可以为表征复合材料损伤阻抗和损伤容限特性提供新的视角，此外，研究结论还可为复合材料结构的损伤容限设计及受损结构的维修提供理论指导。

原始文献：Di Zhang Xitao Zheng Jin Zhou Wenxuan Zhang Bridging the low-velocity impact energy versus impact damage and residual compression strength for composite laminates Journal of Reinforced Plastics and Composites 40(9-10) (2021) 378-390. DOI：10.1177/0731684420970643.

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