（固体力学专业论文）竹铝复合板冲击破坏研究.pdf

摘要 本文在文献调研的基础上，综述了前人在复合材料冲击实验和数值模拟研究 上的成果，指出了复合材料冲击实验研究中没有统一的实验规范，冲击破坏难以 量化，复合材料实验结果的离散性较大等问题，而复合材料冲击的数值模拟研究 也存在对冲击接触问题和复合材料结构模型的过度简化，没有合适的层间破坏和 复合材料材料破坏模型，而且理论研究结果难以直接为工程实际采用等问题。 针对上述问题，本文以香港科技大学余同希教授等提出的改性竹铝复合板的 设想为原型，对复合材料应用中主要关心的低速冲击作用下结构的冲击破坏问题 进行了实验和数值研究。尝试着通过实验与数值模拟相结合的方法，探索了一条 可以很容易推广到工程实际应用中的数值模拟方法。 本文首先介绍了改性竹铝复合扳的制备方法和复合板静态力学性能测试的前 期研究工作成果。并对复合板的静态实验研究进行了总结。 在研究中我们首先利用落锤冲击实验机研究了周边固支夹持的单向和交叉竹 铝复合板在低速大质量冲击下的结构响应行为。获得了不同冲击速度下单向和交 叉竹铝复合板的冲击力曲线，并用超声扫描和解体法对复合板中的冲击破坏形态 进行了观察。实验中发现交叉竹铝复合板中的主要破坏机制为层间脱层破坏，而 单向竹铝复合板则主要破坏形式为层内改性竹的材料破坏。 然后我们通过适当的假设建立了合适的材料和层间破坏模型，利用现有的商 用软件a b a q u s e x p l i c i t 对改性竹复合板的冲击问题进行了数值模拟。 在数值模拟中，首先在总结竹铝复合板的静态材料性能实验基础上，提出了 用h i l l 塑性势结合塑性软化模型的各向异性塑性软化材料模型，模拟了改性竹在 不同方向上不同的破坏行为，并用层间双节点结构和最大节点力破坏准则模拟了 层间脱层破坏的产生和扩展过程。在冲击动态接触过程的处理上，则采用了 a b a q u s 中主从面几何接触模型，直接利用冲击物的初始速度条件和几何边界条 件，将落锤冲击与复合板的变形和破坏进行联立求解。数值模拟结果与实验结果 的比较证实，虽然各向异性塑性软化与改性竹的实际破坏过程在微观机制上有着 本质的差别，但在材料和结构的宏观响应行为上却是一致的。与复合板冲击实验 曲线的比较也证实采用上述数值模拟方法可以很好地模拟复合板的冲击动态响应 和层间脱层破坏过程。 最后，通过与实验结果比较验证了数值模拟的有效性后，进一步利用这一模 型研究了层问不同粘接条件、不同改性竹层厚度以及改性竹的压缩比对复合板冲 击响应行为和抗冲击破坏性能的影响进行了研究，为竹铝复合板的进一步优化设 计提供了指导材料。 研究发现复合板在不同方向上有着完全不同的破坏形式，层间脱层破坏是交 叉复合板所特有的一种破坏形式，层间分离型脱层只发生在上一层弯曲模量小于 其相邻下一层的弯曲模量的层问界面，而在上一层弯趋模量大于其相邻下一层弯 曲模量的层间界面只发生剪切型层间破坏。在保持复合板总厚度不变的条件下， 通过减小复合板中每一层改性竹的厚度，增加改性竹的层数，可以显著减小复合 板的层间脱层破坏，而简单地提高层间粘接强度并不能完全抑制层间破坏的发生。 在复合板中使用不同压缩比的改性竹并不会对复合板的冲击响应造成太大的影 响，但会显著改变冲击动能在复合板局部压入和结构整体变形二者之间的分配比 仍】。 全文最后对复合板的冲击研究进行了总结提出了复合板改进设计的建议，并 对改性竹复合板的应用前景及其环境和经济效应进行了展望。 a b a s t r a c t d u r i n g t h ep a s tt h r e ed e c a d e s ，t h ea p p l i c a t i o n so f c o m p o s i t em a t e r i a l sh a v eg r o w n r a p i d l ya n dn o w b e c o m e c o m m o n p l a c e a r o u n dt h ew o r l d h o w e v e r , t h er e s p o n s ea n d d a m a g eo fc o m p o s i t e l a m i n a t e su n d e ri m p a c tl o a d i n gh a v es t i l lb e e no f g r e a tc o n c e r n i nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n l o wv e l o c i t yi m p a c tm a yp r o d u c ei n v i s i b l ed a m a g e s i nac o m p o s i t el a m i n a t e ，w h i c hl e a dt oab i g d r o p i nt h e s t r e n g t h o fc o m p o s i t e s t r u c t u r e st h u sad e t a i l e du n d e r s t a n d i n go ft h el o c a t i o na n de x t e n to ft h ei m p a c t d a m a g e i se s s e n t i a li ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no f c o m p o s i t e s i nm o s tc a s e s ，t h ei m p a c td a m a g ei nc o m p o s i t em a t e r i a l si sv e r yc o m p l i c a t e da n d u n a b l et ob eq u a n t i f i e d v a r i a t i o n so ft h e e x p e r i m e n t r e s u l t sf r o m s p e c i m e n t o s p e c i m e na r em u c hl a r g ef o rc o m p o s i t em a t e r i a l s t h el a c ko f e x p e r i m e n ts t a n d a r d s f o r c o m p o s i t ei m p a c te x p e r i m e n t s f u r t h e r c o m p l i c a t e s t h e p r o b l e mm a n y s i m p l i f i c a t i o n s ，s u c ha st h o s ei ns p e c i 5 r i n g t h ed y n a m i cc o n t a c tb e t w e e nt h ep r o j e c t i l e a n dt h et a r g e ta n di n m o d e l i n gt h el a y e r - w i s es t r u c t u r eo ft h el a m i n a t e ，h a v et ob e i n t r o d u c e di no r d e rt oo b t a i n as a t i s f i e dr e s u l ti nt h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a l i n v e s t i g a t i o n s m s ot h e r ei sn o tas u i t a b l em o d e lt oa c c o m m o d a t et h ea n i s o t r o p i c b e h a v i o ra n dt h ei n t e r r a c i a ld e l a m i n a t i o np r o c e s so f c o m p o s i t em a t e r i a l s h e n c em o s t o f t h et h e o r e t i c a lr e s u l t sc a n tb ed i r e c t l yu s e di ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nam e t h o d ， w h i c hi sc a p a b l eo fp r e d i c t i n gt h el o c a t i o na n de x t e n to ft h ei m p a c td a m a g eo ft h e l a m i n a t ea n dc a nb ee a s i l ya p p l i e di ne n g i n e e r i n gd e s i g n ，i sb a d l yn e e d e di nt h i s p a p e r , t h er e f o r m e d b a m b o o a l u m i n u ml a m i n a t e - - an e w t y p eo f n a t u r a lf i b e rc o m p o s i t e w a ss t u d i e da sap r o t o t y p et od e m o n s t r a t ea ne f f i c i e n t a p p r o a c h t os i m u l a t et h e t r a n s i e n ti m p a c tr e s p o n s e ，s t r u c t u r a li n t e r f a c i a ld a m a g eo ft h ec o m p o s i t el a m i n a t ew i t h a b a q u s e x p l i c i t t h e r e f o r m i n gt e c h n i q u e a n dp r o d u c t i o np r o c e s s e so f t h el a m i n a t ew e r ei n t r o d u c e d a tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r , t h es t a t i cm a t e r i a l p r o p e r t y o ft h el a m i n a t ew a s p r e s e n t e da n d ac o n c l u s i o no f t h e s ep r e l i m i n a r ys t u d i e sw a sa l s om a d e t h e i m p a c tr e s p o n s eo f t h el a m i n a t e a td i f f e r e n ti m p a c tv e l o c i t i e sw a st h e ns t u d i e d e x p e r i m e n t a l l yu s i n gt h e “d y n a t u p ”t e s tr i g a nu l t r a s o n i cc s c a nw a su s e dt og e t a no v e r v i e wo ft h ei m p a c td a m a g ei n s i d et h el a m i n a t e st h ei m p a c t e ds p e c i m e n s w e r ea l s oc u to p e na l o n gt h ed i r e c t i o no f t h ef i b e rt h r o u g ht h ec e n t e ro f t h ei m p a c td i n t t od i r e c t l yv i e wt h ed a m a g ea tt h ec r o s ss e c t i o no f t h el a m i n a t e i nt h en u m e r i c a l i n v e s t i g a t i o n a na n i s o t r o p i cp l a s t i cs t r a i n s o f t e n i n g m a t e r i a l m o d e lb a s e do nh i l l s p l a s t i cp o t e n t i a l a n d p l a s t i c s t r a i n s o f t e n i n g m o d e lw a s e m p l o y e d t os i m u l a t et h e a n i s o t r o p i cd a m a g eb e h a v i o ro ft h er e f o r m e db a m b o o f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s r e s u l t ss h o w e d t h a t ，a l t h o u g h t h e p l a s t i c - s t r a i n s o f t e n m e c h a n i s mo f t h i sm o d e li sq u i t ed i f f e r e n tf r o m t h ea n i s o t r o p i cd a m a g eb e h a v i o ro f t h e r e f o r m e db a m b o of r o mt h em i c r o s c o p i cp o i n to f v i e w , t h es t r u c t u r a lr e s p o n s eo ft h e l a m i n a t ea g r e e sq u i t ew e l lw i t ht h er e s u l t so ft h ei m p a c te x p e r i m e n t t h e d y n a m i c c o n t a c to ft h ed r o ph a m m e rw i t ht h el a m i n a t ew a ss i m u l a t e db yg e o m e t r i cc o n t a c t m o d e lp r o v i d e db ya b a q u s e x p l i c i tc o d et h e l a y e r - w i s es t r u c t u r eo f t h el a m i n a t e w a sm o d e l e dw i t hd o u b l en o d ea tt h ei n t e r f a c eo ft h el a y e r sa n dam a x i m u mn o d a l f o r c ec r i t e r i aw a sc a r r i e do u tt od e s c r i b et h ei n i t i a t i o na n d d e v e l o p m e n t o ft h e d e l a m i n a t i o na tt h ei n t e r f a c e t h ef i n i t ee l e m e n tr e s u l t ss h o w e d g o o da g r e e m e n t w i t h t h ee x p e r i m e n t s a f t e rt h ev a l i d a t i o no ft h en u m e r i c a lm o d e lw i t ht h ee x p e r i m e n t ，t h ee f f e c t so ft h e i n t e r f a c i a lb o n ds t r e n g t h ，t h eb a m b o ol a y e rt h i c k n e s sa n dt h ec o m p r e s sr a t i oo ft h e r e f o r m e db a m b o o ，w e r es t u d i e dn u m e r i c a l i n v e s t i g a t i o n s h o w e d t h a t ，t h e d e l a m i n a t i o ni so n eo f t h em a j o rt y p e so f d a m a g e f o r c r o s s p l yl a m i n a t e s i ti sc a u s e d b yt h ed e f o r m a t i o nd i f f e r e n c ea t t h e l a y e r i n t e r f a e ew i t hd i f f e r e n tf i b e rd i r e c t i o n s t h ed e l a m i n a t i o nc a nn o tb ep r e v e n t e db ys i m p l yi n c r e a s et h eb o n ds t r e n g t ho ft h e l i n e r f a c eo nt h eo t h e rh a n d ，r e d u c i n gt h el a y e rt h i c k n e s sa n di n c r e a s i n gt h en u m b e r o fl a y e r sc a ne f f i c i e n t l yp r e v e n t st h e 】a m i n a t ef r o md e l a m i n a t i o n t h ec o m p r e s s i o n r a t i oo ft h er e f o r m e db a m b o oh a ss m a l le f f e c to nt h ei m p a c tr e s p o n s eo f t h el a m i n a t e b u tm o r ei m p a c te n e r g yw i l lb ed i s s i p a t e di nt h el o c a li n d e n t a t i o nf o rl a m i n a t e sw i t h l o w e rc o m p r e s s r a t i ob a m b o o ，w h i l et h ei m p a c te n e r g yi sm a i n l yd i s s i p a t e d i nt h e s t r u c t u r a ld e f o r m a t i o nf o rl a m i n a t e sw i t hh i g h e rc o m p r e s s - r a t i ob a m b o o f i n a l l y , s o m es u g g e s t i o n s t o i m p r o v e t h e p r o p e r t y o ft h er e f o r m e d b a m b o o a l u m i n u ml a m i n a t ew o r em a d ea n dt h ef u t u r eo f t h i sn a t u r ef i b e rc o m p o s i t e i s f o r e c a s t e d 致谢 在本文完稿之际，我从内心深深感谢多年来导师虞吉林教授对我的教诲和启 迪。虞老师渊博的学识、敏锐的洞察力和对问题深刻透彻的剖析能力，使我在随 虞老师多年来的学习、研究过程中深受教益。在本文的研究和成文过程中虞老师 更是给予了悉心的指导和全力支持。本课题的实验研究部分是在香港科技大学工 学院院长、我校兼职教授余同希教授指导下完成的。余老师对问题物理本质敏锐 的洞察力、严密推理求证的研究风格、以及严谨求实的治学风范，均使我受益扉 浅。在香港科大工作期间不仅得到了余老师的悉心指点，还在研究和交流过程中 接触了更为广阔研究领域，拓宽了本人的视野和研究方向。本文的完成离不开虞 吉林教授和余同希教授两位导师的精心指导和悉心培养，在此对两位导师的教诲 和培养表示衷心的感谢。 本人还想借此机会感谢在中国科技大学十多年来的学习和工作过程中，我系 胡时胜教授、唐志平教授、王肖钧教授、李永池教授、夏源明教授、王秀喜教授 等多位老师的教诲和指导。他们的悉心教导和辛勤培养使我得以在实验技能、理 论分析和数值模拟等多方面的能力得到了全面的发展。 本人特别感谢香港科技大学u g cr e s e a r c hi n f r a s t r u c t u r eg r a n t 基金 ( 1 1 9 5 9 6e g 0 5 ) ：”f o r m i n ga n df r a c t u r eo fb a m b o o m e t a ls h e e ta n do t h e rl a m i n a t e sf o r s t r u c t u r a l a p p l i c a t i o n s ”对本课题冲击实验研究部分的资助，国家自然科学基金 f 1 9 6 7 2 0 6 0 ) ：“弹塑性结构的冲击响应研究”对本课题数值研究部分的资助。 在中国科大与张文格、李剑荣和王曦等师兄弟愉快的协作营造了一个互帮互 助、宽松和谐的研究环境。在香港科技大学工作期间也与余同希教授领导下的 i m p l a s t ( i m p a c tp l a s t i c i t y ) 研究小组中薛璞、陈发良、陈晓为，及当时正在香港 科大访问的北京航空航天大学杨嘉陵教授等进行了愉快的合作和探讨，他们无私 的帮助使我很快熟悉了新的研究和生活环境，全力投入研究工作。在港期间余同 希教授及其夫人对本人生活也给予了无微不至的关怀。 在数年来的学习中，年迈的父母的殷切期望和无私奉献，妻子白萍女士的理 解和支持，使本人得以专心致力于论文研究工作。本文的完成也是与他们的理解 和支持分不开的。 最后谨以此文作为对老师们的教导和大家的热情帮助的回报。 报送博士学位论文简况表 论文题目拍铝复合扳冲击破上1 、研究 授予学位的 作者姓名 张江跃 【嗣体力学结构冲一h 学科、专业 中国科学技术人学力学和安徽合肥q ，国科学技术大。? + j 学 作者单位地址 机械r 程系和机械工程系 专业 导师姓名虞吉林余同箱教授 技术职务 中国科人研究生院安徽台肥中国科大叭究牛院 导师单位 地址 香港科技大学 i 学院香港科技大学机械j 科系 论文隶属学科分类号“1 、7 论文关键词”改性竹? 层压板，脱层破q 、，执冲- i 性能：a s a q u s e x p i c t 论文文摘( 约4 0 0 50 0 字，中文) 本文利用落锤冲h 实验机研究了蒯边固支夹持的单i , j 干l l 交义笪数盒蜓在低 速大质量冲击下的结构响应行为。获得了，不同冲击速度下中向和交叉竹铝复合板 的冲击力曲线，并通过超声扫描茅【 解体观察发现两种复合板存在着不同的破坏形 式。 在数值模拟中，提出了用h i l l 塑性势结合塑性软化的各向异性材料模型，模 拟了改性竹各向异性破坏行为。_ i j 最大节点力破坏准则控制的层问双节点结构模 拟了层问脱层破坏的产：牛和扩展过程。用a b a q u s 中主从面几何接触模型将落锤 冲击与复合板的变形和破坏进行联立求解。与实验曲线的比较证实，采用上述方 法呵以很好地模拟复合板的勤态冲直响应和层间脱层破坏过程。并对层问粘接条 件、改性竹层厚度以及改性伯的压缩比等影响冈素进行了研究。 论文在何时何地以何种方式发表 报送日 获得学位日期2 0 0 0 1 1 ，2 9备注 期 收藏单位：北京幽f 馆( 巾闭田家l 冬】 e 馆) 。执行部j ：国内资利护 注1 一般麻注明中闺幽1 5 资料，类法的类q 2 为了文献标引 _ 作从论文中选取出来川以考 。 一一窬信息毅目的单词蛾语。每 篇论文选取3 - 8 个词f 1 为父 i l l i 二i ” 、以声j j 、沣与。扣文对府的英文荚雠词。 中国 孽较术大季博士季隹格文 第一章综述 1 1 复合材料的应用及冲击问题在复合材料中的重要性 复合材料与普通金属材料相比有着比强度和比模量高，抗腐蚀性能好，疲劳 寿命长等优点，而且还可以根据特定应用的需要进行随意设计。使用复合材料不 仅可以使结构性能得到提高，而且复合材料部件通常都比采用金属制作的同样部 件的成本要低。这一点不仅在技术含量较低的复合材料成型板中如此，即使是有 着复杂承载形状的航空航天部件也可以经过很少的几个步骤制作完成，大量节省 了连接和组装过程中消耗的时间和工作量。由于这些明显的优点，在现代工业应 用中，复合材料在越来越多的领域中逐渐取代了经典工程材料，尤其是在航空航 天等高科技领域中得到了广泛应用。 但复合材料在应用中也存在着很多问题，其中最主要的就是局部集中冲击载 荷作用下复合材料结构的破坏问题。复合材料对冲击载荷的响应和冲击能量的耗 散方式完全不同于金属，对于金属，在中低冲击能量作用下，可以通过材料和结 构的弹塑性变形来吸收冲击能量。虽然塑性变形会导致结构不可恢复的永久变形， 但对构件在冲击后的承载能力并没有太大的影响。而且金属结构的冲击破坏总是 从表面向内部逐渐发展，因而很容易通过常规的外观检查而发现。但复合材料通 常呈脆性，塑性变形能力非常有限，集中冲击载荷常常会导致复合材料结构内部 大面积的开裂，导致强度和模量乃至结构稳定性的显著下降，甚至导致整体结构 灾难性的破坏，而且这些内部破坏可能完全无法通过常规的外观检查而发现。冲 击破坏对复合材料结构的潜在危险性在很大程度上限制了复合材料的应用和推 广。 近几十年来，随着复合材料结构在航空、航天以及大量民用领域中的广泛应 用，复合材料的冲击问题受到了广泛的关注。如果能清晰地认识复合材料结构与 冲击物之间的碰撞动力学过程、复合材料内部破坏产生和发展的机制，以及冲击 破坏对复合材料结构承载能力的影响，并在材料和结构的设计阶段就对可能的冲 击问题加以考虑，必然可以更充分地利用复合材料的各项优异性能，使其发挥更 为广泛的用途。为此，人们对冲击载荷作用下复合材料结构的响应行为、冲击破 坏及其导致的材料和结构力学性能的下降等方面进行了广泛的实验和理论研究。 中国斜学杖术文季博士学往静文 l - 2 复合材料低速冲击的实验研究现状及存在的问题 与普通金属材料结构相比，复合材料结构的冲击破坏形式更加复杂。首先， 复合材料的冲击破坏包括压坑、基体开裂、纤维断裂、纤维一基体脱粘和层间脱 层等多种破坏机制，这些破坏形式均有可能发生在冲击过程的任一阶段，而且通 常他们分别依赖于不同的应力分量，在一定范围内这些破坏形式还会相互作用。 更为复杂的是，这些破坏机制和破坏程度均不同程度地受很多具体实验条件影响， 例如：冲头形状、冲击物质量、冲击速度、基体和纤维的材料的材料性能、界面 处理方式、纤维体积比、叠层方式、复合板的几何参数以及边界条件和预应力等 等。在民用领域中常见的低速大质量刚体冲击形式下，这些影响更加明显。 1 2l 复合材料冲击实验研究 清楚地认识冲击破坏的发生和发展过程，以及分清在这些过程中哪些因素起 着主要的控制作用，对于数值模型的建立、设计抗冲击结构及发展具有更好性能 的材料都有着重要意义。 为了模拟冲击物对结构的真实撞击过程，人们使用了多种实验设备。冲击物 的初始动能是实验中需要考虑的重要参数之一，但很多其它因素也会显著影响到 结构的响应行为。即使初始动能一样，大质量的低速冲击显然与高速度小质量冲 击会造成不同的破坏程度。前一种情形可能会引起结构的整体响应，而另一种情 形则通常只会影响到冲击点周围很小区域。因此，在实验中必须根据实际冲击的 形式选用适当的实验设备以真实模拟结构可能受到的实际冲击作用。 复合材料冲击实验研究工作中主要使用以下两类实验设备。模拟工具跌落这 类大质量低速冲击的各种落体冲击设备，如冲击摆、落锤等，和用于模拟飞行器 在起降时跑道上飞溅的碎石的撞击或军事中各种常见的小质量高速冲击问题的冲 击实验设备，如各种形式的气枪和气炮等。虽然设备很多细节可能存在较大的差 异，但其工作原理和基本结构都是大致相同的。 在实验测试方法上，由于冲击是一个动态过程，同时由于复合材料的各向异 性特征，同一物理量在复合结构内不同位景和方向上有着不同的值，因此采取应 变片这类经典的测试方法，测量冲击过程中某一点的物理量随时间的变化往往并 不能完全反映整个复合材料结构内部的物理状态。而要获得冲击过程中复合结构 内全场的物理量随时间的变化过程则要困难得多。l a m b r o s 等【l 2 】采取横向剪切 c g s ( c o h e r e n tg r a d i e n ts e n s i n g ) 梯度干涉法结合高速摄影获得了复合材料板在受 中心冲击时的全场出面位移随时间的变化。s i r k i s 等【3 4 i 尝试了通过在复合板内嵌 2 中国卅事技术上学博士季位静文 入光纤和电阻丝等技术测得了复合板内的应变状态的实时变化，l e b l a n c 和 m e a s u r e s ”】对这一方法的应用进行了综述，这方法后来被广泛应用于各类智能 结构的主动控制测量中f ”。a k h a v a n 等研究了e f p i ( e x t r i n s i cf a b r y p e r o t i n t e r f e r o m e t r i c ) 光纤应变传感器在碳纤维一环氧复合材料受落体低速冲击中的应 用，并与常用应变片和p v d f ( p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ) 压电薄膜进行了比较。我系 魏俊等【l o 】还尝试了在复合材料叠层板中用电阻丝替代光纤进行测量。 冲击后实验样品中破坏的测量是评估复合材料的耐撞性及估计复合材料冲击 后残余性能的必要前提。复合材料冲击破坏的检测可以分为无损检测和直接检测 两大类。 对于半透明复合材料，如玻璃纤维或k e v l a r 环氧基复合材料等，可以采取用 高强度光透视法来直接观察复合板内部基体开裂和脱层区的大小和形状。而碳纤 维一环氧这类不透明复合材料则可以采用x 光透视法或利用冲击破坏区声阻抗特 性变化，用超声扫描成象法来获得复合材料内部破坏区的形态。b u y n a k t “1 和 f r o c k t ”1 等改进的超声检测技术可以发现样品厚度方向上脱层的分布和尺寸。 w o o h 等m 1 将a s c a n 的脉冲信号进行处理后缩短了超声信号的脉冲宽度，提高 了超声信号的时间分辨率，使得通过超声扫描技术可以获得复合材料叠层薄板内 部破坏较精确的三维图像，并且该方法可以适用于轻度弯曲或不规则表面的试件 的测试。 超声和x 透视法是使用最为普遍的无损检测方法，文献中也报导了很多其它 的测试方法，如红外热成象法【，高频低幅机械振动激励法【”j ，及”叩诊法” 1 6 , 1 7 1 等。也有人尝试了将神经网络技术应用到复合材料的破坏检测中，如l i u t ”1 等将 声发射检测和结合b p ( b a c kp r o p a g a t i n g ) 神经网络技术对碳纤维复合材料中破坏 进行了检测。但这些方法在复合板的冲击实验中应用很少，在此不再赘述。 更为直接的办法是，将复合板解体后直接观察复合板内部冲击破坏的形貌， 如将实验样品切成多个平行的小条，从侧面观察每一块中的破坏，然后通过边界 重建法再现复合板内部破坏区的形貌。l e v i n 等【1 9 1 还尝试了先用染料将破坏区着色 后，再用常规解体法观察破坏区的方法。 在各种破坏检测方法中，几乎所有的方法都是用于冲击后实验样品中的破坏 检测，却很少有方法可以直接用于冲击过程中破坏的检测。t a k e d a 等 2 0 1 采用高强 度背景光结合高速摄影技术测量了半透明玻璃纤维一环氧复合板中的脱层破坏随 时间的扩展过程，获得了脱层边界的扩展速度。很多研究工作者还用m o i r e 纹影 3 中国卅季杖术太学博士季佳论文 法在冲击后压缩实验中观察了脱层屈曲过程，c h a i 等【2 1 1 采用m o i r e 云纹法结合高 速摄影观察了有面内压缩预载的复合板在低速冲击作用下的破坏扩展过程。 122 复合材料冲击实验研究成果 经过近几十年来许多研究工作者的努力，复合材料冲击实验研究获得了大量 实验现象和数据，冲击破坏的很多基本特征都己明了，尤其是对导致结构强度显 著下降的层间脱层破坏进行了大量研究，取得了很多研究成果 2 2 - 2 4 】。 实验研究发现材料性能和叠层方式对冲击破坏有着明显的影响。横向剪切应 力导致的层内基体开裂是破坏产生的诱发机制。由于复合材料的初始破坏总是从 基体材料的开裂开始发生，因此初始破坏开始产生的冲击能量决定于基体材料及 界面特性【2 5 】，而纤维的性能则决定了复合材料所能承受的最大冲击载荷及最大载 荷对应的冲击能量【2 6 1 ，提高纤维的破坏应变可以提高复合材料的抗冲击性能 2 7 - 2 9 l 。 b o u a d i 等m i 证实对某一固定的冲击物一靶板组合，存在着一个极限冲击能量， 当冲击能量小于这一特征值时不会在复合材料内部造成任何破坏，并且这一特征 能量随着复合板厚度增加而线性变化。k e s s l e r 等1 对比了两种不同界面处理方式 的玻璃纤维一环氧复合材料叠层板发现纤维一基体粘接强度高的具有更好的抗冲 击破坏性能，基体脆性越高则抗冲击破坏性能越差。 层问脱层的扩展吸收了大部分冲击能量，是主要的破坏过程。脱层破坏只发 生在纤维排列方向不同的层间界面上，纤维排列方向一致的层之间不会产生脱层 破坏m 】。层间脱层破坏同样存在着一个特征冲击能量，当冲击物的动能超过这一 特征值后，脱层区的面积随冲击物的动能增加而线性增d 1 1 【”i ，后来的很多研究工 作也证实了这一结论m 。通常必须进行多次实验以精确确定某一复合板脱层破 坏开始产生的特征冲击能量，但很多研究表明，可以使用静态实验中测得的脱层 破坏刚开始产生时的接触力作为破坏的特征判据，这一特征力可以很容易地通过 单次冲击得到，而且在较大初始冲击动能范围上的结果都基本一致1 3 6 - 3 9 1 。z h o u 等 也发现，在低速冲击下，冲击应变率对破坏特征值的影响不大，使用冲击力作 为破坏特征判据更为简便。z h o u 等的研究还发现，冲击过程中的最大冲击力与 特征冲击力之比还可以作为结构冲击破坏的度量。 h u l l 和s h i 等【4 2 1 发现在厚度方向上不同层界面上的脱层区的形状基本一致，脱 层的形状通常会在界面下一层的纤维排列方向上被拉长，并随着最大冲击载荷的 大小而简单地放大或缩小。对于刚性结构，由于冲击区接触力很大，基体开裂从 冲击面一侧开始产生，破坏通过层内开裂和层间脱层依次向下扩展，在厚度方向 4 中蠢 季杖术太簟博士学位凳文 上，形成一个“松树状”的破坏模式。而对于薄复合板，弯曲应力将导致最低一 层的基体首先开裂，破坏从冲击面对侧向冲击点逐渐扩展，形成“倒松树状”破 坏。 a l d e r s o n 和e v a n s 等用高强度背景光和每秒5 0 0 幅的高速摄影研究了冲击过 程中脱层的扩展行为，脱层前沿在刚开始产生时扩展较慢，但当冲击载荷达到最 大值时，脱层前沿的扩展速度迅速增加，并且其扩展速度随初始预加压缩载荷的 增加而增大 2 0 , 2 1 】。 w a n g 和k h a n h 等【4 3 1 对碳纤维复合材料叠层板的研究表明叠层方式主要影响整 个脱层区的面积。叠层方式对破坏开始产生的初始特征能量的影响很小，但会显 著影响到复合材料冲击破坏程度和最大载荷时对应的冲击能量。 实验中冲击物的外形和速度等也会直接影响到复合结构的动态响应和最终的 破坏程度。锥形冲头显然与平头冲头i 会在复合材料内部造成完全不同模式的破 坏。k u m a r 和r a i 等【4 5 1 还发现冲击物的硬度也会影响到复合材料的冲击破坏，即 使在同样的初始动能和同样外形条件下，硬度高的会在复合材料中造成更大面积 的破坏，例如钢制冲头会比铝制冲头产生更多的破坏。 l e g a c e 等发现最大接触力随冲击物的速度增加而线性增加，而且低速冲击 破坏模式与静态压入实验的破坏模式非常相似。破坏区的面积取决于冲击物对复 合材料的法向速度，在斜撞击条件下，破坏区的面积依赖于碰撞角，但法向速 度相同的实验样品其破坏区面积却基本一致。 结构的初始预载也会明显影响到复合材料结构的冲击响应。s e h o e p p n e d 4 9 1 对碳 纤维一环氧复合材料的系列实验证实，初始面内预拉载荷会提高结构的初始刚度， 缩短接触力达到最大值时间，并增加冲击压坑的深度，但冲击过程中的最大载荷 对初始预拉载荷不敏感。随着初始预载的增加，冲击破坏局部化程度加剧。 n e t t l e s t 5 ”用落锤冲击实验机和x 光透视技术研究了碳纤维一环氧叠层板的低速冲 击发现层间脱层破坏会随初始拉伸载荷的增加而增加。 虽然大家公认温度和湿度等环境因素的变化会影响到复合材料的硬度和强 度，但只有少量的研究工作考虑了这些环境因素对冲击破坏的影响，很难从这些 研究工作中得到一般的结论。 冲击后结构的残余承载能力也是复合材料冲击实验中非常关心的一个问题。 由于冲击破坏主要会导致复合板的面内抗压性能的下降，文献中报导了大量对这 5 中秆雷挂术大学博士学位静文 一问题的研究，复合板在冲击后压缩强度的下降也成为评估复合板抗冲击能力的 一个主要标志。d ef r e i t a s 等1 使用了落锤冲击实验机研究了含冲击破坏的碳纤维 一环氧复合材料叠层板在冲击后压缩时的破坏机制，m o u r i t z 等f 5 2 1 研究了含冲击 破坏的夹芯板的压缩、弯曲和剪切性能，s c a r p o n i 等【5 3 5 4 1 研究了低速冲击破坏导致 叠层板拉伸强度下降，p a v i e r 等】比较了在叠层板嵌入p t f e 薄膜的办法制成的 人工脱层与实际冲击破坏脱层试件在拉伸和压缩时的差别。实验研究发现，冲击 载荷引起的纤维断裂是导致复合板冲击后拉伸强度下降的主要原因，而冲击脱层 区的屈曲导致应力的重新分布，是复合材料结构冲击后压缩强度的下降的主要原 因”i 。 s 123 复合材料冲击实验中存在的问题 虽然复合材料冲击实验研究在很多方面获得了令人满意的结果，复合材料冲 击破坏的基本规律也已经比较清晰，但在很多方面复合材料的冲击破坏研究还存 在着很多不尽如人意的问题，尤其是对冲击破坏的预估和冲击破坏后材料残余性 能的估计方面。 l 复合材料冲击问题中影响因素多 如前所述，复合材料结构冲击破坏的影响因素很多，基体和纤维的材料性能、 被冲击结构的几何形状、夹持条件和边界条件、冲击物的外形特征和材料参数、 叠层方式和粘接剂、初始预载，乃至温度、湿度等环境因素都会对复合材料的冲 击破坏造成不同程度的影响。在多数情形下，这些因素都会相互作用相互影响， 很难从实验结果中将某一影响因素独立出来。同时由于复合材料为多相材料，实 验样品的不一致性也比金属这类的经典材料要大得多，实验中很多规律性认识也 往往被试件的随机性而掩盖。 2 目前没有统一的复合材料冲击实验规范 而且由于长期以来，复合材料的冲击研究并没有一个统一的实验规范和一种 成熟的测试方法。冲击加载实验设备多种多样，实验样品的几何形状和尺寸以及 试件的夹持条件等更是于差万别。这一现状使得不同研究者实验结果之间的可比 ， 性很差，文献中虽然有很多在同一材料上的类似实验报导，但却很难将其相互进 行直接比较。 6 中 i 技术土季博士季t 静文 3 复合材料破坏检测的困难 复合材料冲击实验研究中的另一主要问题是冲击后样品中破坏检测的困难。 强光透视、超声扫描和x 光成象法虽然都可以获得内部破坏区的图像，但却丢失 了破坏区的在厚度方向上的很多特征，清楚地认识脱层在厚度方向上的分布、尺 寸和方向，以及它们与层内开裂的连接方式同样非常重要，它们为冲击破坏模型 的建立提供了重要的基本事实。在多层复合板中，这些无损检测手段也只能得到 不同厚度上所有破坏的总体投影面积的叠加和形状。 改进的超声扫描法虽然可以获得破坏区在厚度方向上的分布和尺寸，但由于 通常冲击会在复合板表面形成压坑和复合板的整体弯曲，同时由于超声在不同材 料界面上的反射和冲击破坏区的衰减，超声扫描法在应用到复合板的损伤检测中 一直存在很多问题。 在复合板中嵌入光纤或电阻丝等传感器的方法虽然可以获得复合板内实时变 形行为和破坏的产生，但该方法也只能获得复合板内某一方向上变形的整体平均 和破坏，而且这种方法要求在制备时就必须将传感器嵌入结构，因此大大限制了 这一方法的应用，另外这种嵌入式方法也必然在一定程度上改变了复合材料本来 的特性。 解体或切割等直接观察方法虽然可以直接获得复合材料内冲击破坏的形态， 但在解体或切割过程中总会不可避免地会给复合板带来二次破坏，而且解体和切 割等方法必然导致结构的破坏，因此通常无法将其应用于工程结构的现场检测。 4 破坏检测难以量化 复合材料冲击破坏实验研究中最困难的是对复合材料内的损伤破坏进行量 化。由于通常冲击造成的破坏区的形态都很复杂，很难对其进行定量的描述，长 期以来复合材料的冲击破坏一直停留在定性描述阶段