纤维增强复合材料层合结构冲击损伤

1、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：具有较高的比强度和比刚度具有良好的抗疲劳性能具有良好的减振性能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、

2、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1

3、0mm 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 %。总之，复合材料中的各种缺陷对性能有着不同的影响，总体而言倾向于性能 降低。下面重点介绍孔隙、杂质对性能的影响。复合材料在冲击载荷下的损伤形式：其损伤破坏模式表现为基体开裂、纤维断裂、纤维与基体界面脱胶开裂和脱 层。纤维增强树脂基复合材料结构在冲击作用下将产生下列三类主要损伤：基体 开裂、层间脱层开裂、纤维断裂。其中基体开裂和纤维断裂等损伤产生在复合材 料单层板内；而脱层开裂损伤将产生在纤维铺设方向不同的各子层之间。（1）冲击作用下复合材料的层

4、间脱层损伤层间损伤即脱层是纤维增强树脂基复合材料层合结构中出现的主要失效形 式之一。对于层合结构而言，由于纤维铺层的限制，脱层通常保持在同一平面内 延伸和扩展。由层状复合材料纤维铺层之间的强度相对于纤维和基体的强度较 弱，因此裂纹容易在层间产生并扩展。由于冲击或制造缺陷而产生的脱层损伤将 显著地降低结构的承载能力。在球形冲头冲击作用下，层合板层间产生的脱层损伤沿子层板呈花生果状， 而且脱层扩展方向均沿两层中离冲击面较远的子层板的纤维方向。当相邻两层纤 维铺设方向相同时，将不出现分层。层间分层沿层合板厚度呈喇叭状，冲击表面 脱层裂纹面积小，而背面大。脱层开裂是层间界面上发生的平面裂纹，有内部脱层

5、（往往起始于层内裂纹 的交界处）和边缘脱层（起始于板的自由边）两种情形。内部脱层是由局部应力 升高引起的，它开始往往是分离状的，分布在层间平面；边缘、缺口和其他几何 不连续处易于因较高的正应力和（或）剪切应力而发生边缘脱层。一般来说，脱 层损伤对铺层复合材料结构的面内拉伸强度和层间压缩强度影响不大，但对于面 内压缩和剪切强度以及层间拉伸和剪切强度的影响很大。（2）冲击作用写复合材料的层内损伤复合材料层合板在承受低速冲击载荷时，首先出现基体开裂损伤。基体裂纹 是层合板受冲击后的初始损伤形式。根据产生裂纹的应力分量的不同，可以分为 剪切基体裂纹和弯曲基体裂纹（如下图所示）。弯曲基体裂纹是由垂直于纤

6、维的 面内正应力和层间正应力引起的。在复合材料层合板受冲击载荷时，冲击点的背 面铺层会产生最大的拉伸应力和法向正应力，基体受到强烈的弯曲作用达到临界 值而发生破坏。剪切基体裂纹发生在铺层角发生变化的相邻铺层间，由于面内刚 度的不连续，通常会产生横向剪应力，这种铺层角的变化越剧烈，同等载荷下产 生的层间剪应力也越大。由于复合材料基体的强度较低，垂直于纤维方向的横向 剪应力将会引起纤维间基体的开裂。冲击产生的脱层是由相邻层的临界基体裂纹 引起的，在临界基体裂纹产生以后，外表面法向应力和层间剪切应力对脱层扩展 有重要的影响。（a）剪切原体裂纹W）（a）剪切原体裂纹W）弯曲基体裂纹纤维断裂破坏模式通常

7、比基体裂纹与脱层开裂出现的晚，而且出现在冲击能 量较高的情况。在冲击物下面纤维断裂的产生主要是因为冲击压痕附近高的局部 应力场分布；在远离冲击物面产生的纤维断裂主要是因为高的弯曲应力。纤维断 裂将造成整个结构的失效。复合材料层合结构损伤分析力学模型（1）几何模型复合材料层合结构通常是根据设计要求由许多不同纤维方向的单层板铺设 而成的，脱层损伤将发生在两层不同纤维铺设方向的单层之间。一旦发生脱层后， 在存在脱层的区域，整体的铺层结构将在厚度方向成为多个子层结构。因此，很 自然地可以将复合材料层合结构看作是由许多子结构装配而成。为了满足在未脱 层区域上下子层结构的位移连续性，在该相邻两子层之间加入

8、一厚度很薄的界面 层。脱层损伤将被限制在该界面层产生和扩展；对于基体开裂、纤维断裂等损伤 将被限制在子层结构内产生和扩展，如下图所示：复合材料铺层结构的构成对于单向纤维增强的复合材料层合板来说，在低速冲击作用下其主要的损伤 模式有：层内损伤（基体开裂、纤维脆性断裂、纤维基体界面剥离）和层间脱层 损伤。针对复合材料的这种损伤特点，以下提出了一个层合结构的力学模型来分析在冲击作用下纤维增强树脂基复合材料层合板结构内部的损伤和变形机理，该 模型将铺层板按如图所示的两种结构成分构成：复合材料层合结构力学模型（1）宏观材料特性为正交各向异性的单层板结构。在有限元模型中采用普通板 壳单元来建立。在单层板材

9、料本构模型中将考虑各种层内损伤（基体开裂、纤维 脆性断裂、纤维基体界面剥离）。（2）将铺设角度不同的两相邻子层粘接起来的界面层结构。在有限元模型中采 用界面单元来建立，其界面模型采用第三章建立的基于粘接区理论的脱层模型。预测复合材料铺层结构中损伤的产生与扩展分析中，更倾向于使用层合理 论，而不采用三维弹性力学理论。在进行复合材料结构在低速冲击作用下的有限 元分析时，更好的方法是采用基于板壳理论的层合板理论，因为在进行有限元分 析时，使用三维体单元（如六面体单元）来进行复合材料层板结构的仿真分析将 会使计算量非常大，尤其是进行预测结构中存在多处脱层问题的分析中。复合材料层合结构脱层损伤预测：纤维

10、增强树脂基复合材料层合结构层间脱层损伤过程包括脱层产生和扩展 两个阶段。预测模型是来分析复合材料层间脱层产生与扩展的力学模型。目前由 于所采用的理论与假设不同，用于预测脱层产生、扩展的模型主要有以下四类：（1）基于强度理论的预测模型根据材料内部某点处的应力水平或一定区域的平均应力水平来判定预测脱 层损伤的产生。（2）基于断裂力学理论的预测模型一些学者在根据应力失效准则预测复合材料层间脱层损伤产生的基础上，采 用断裂力学的方法来分析裂纹的扩展，其中多数文献是基于评价裂纹尖端处的临 界能量释放率来分析脱层扩展。基于损伤力学的预测模型(未得到广泛应用)基于粘接域(Cohesive zone)理论的预

11、测模型近年来，基于粘接域理论的预测模型被越来越多地应用于分析不同区域物体 在粘接面处的开裂过程。这些预测模型建立了发生裂纹处的界面力与界面处相邻 表面间的相对位移之间的联系。学者们先后提出了多个界面力界面相对位移模 型，使用界面处的界面强度(即界面力界面相对位移曲线上的最大界面内力)来 预测界面开裂损伤的产生。当该曲线下面的区域面积等于临界能量释放率时，则 界面产生宏观裂纹，此时界面上的内力减为零，这样就把断裂力学间接地应用于 粘接域模型中。使用粘接域模型来预测界面上裂纹开裂过程不仅具有模型简单， 而且将界面裂纹的产生和扩展都在同一模型中描述。该模型可以比较容易在有限 元程序中实现，借助于潜在

12、产生脱层的区域放置界面单元的方法来预测脱层扩展 可以克服基于断裂力学方法所遇到的困难。复合材料单层板损伤预测：纤维增强树脂基复合材料结构受冲击载荷作用下的损伤是不可避免的，复合 材料结构就是通过多种多样的损伤形式来吸收外界的冲击能量。在低速冲击条件 下，所产生损伤的主要形式为基体开裂和脱层开裂；在较高速冲击条件下，冲击 物嵌入或穿透复合材料导致以纤维断裂为主要的损伤形式。其中基体开裂和纤维 断裂损伤为层内损伤。这些损伤往往导致纤维复合材料结构在使用过程中损伤的 进一步发展直至破坏。上海交通大学博士生张彦在博士论文纤维增强复合材料层合结构冲击损伤 预测研究中，建立了基于连续介质损伤力学的复合材料单层板损伤本构模型。针对复合材料的层内损伤，基于连续介质损伤力学理论，在热力学第二定律 框架下建立了复合材料单层板在平面应力状态下的损伤本构模型。该模型引入三 个损伤变量分别用来描述层内的纤维断裂、基体开裂、纤维与基体界面脱粘损伤 模式，并考虑了裂纹闭合效应对损伤的影响。基于应变加法分解的假设，考虑了