摘 要

复合材料是一大类新型材料的统称,其强度高、刚度大、质量轻,并且具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点,在航空航天、能源、交通、建筑、机械等领域得到广泛的应用。玻璃纤维则通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料。由于玻璃纤维增强复合材料是各向异性的材料，在厚度方向上的强度是很弱的，尤其是铺层间的粘接层的强度更低。这会导致复合材料板壳在制造、运输中，以及服役期间受到其他物体的横向冲击后会容易产生冲击损伤和破坏，进而导致板壳的残余强度下降，严重地影响材料的性能，因此人们开始针对玻璃纤维层合板进行冲击损伤行为分析。

本文主要对厚玻璃纤维层合板进行落锤冲击实验，以研究低速冲击对复合材料层板剩余强度（CAI）的影响。讨论了在相同能量下采用不同高度或不同冲击配重对板的冲击影响机制，探究了不同能量下板的力-时间曲线、位移-速度曲线、力-位移曲线以及相同能量不同铺层方向冲击响应的比较并得到实验结论。

关键词：厚玻璃纤维增强复合材料、落锤冲击实验、低速冲击、有限元、残余压缩强度。

ABSTRACT

Composite material is a general term for a large class of new materials. It has high strength, stiffness, and light weight. It also has a series of advantages such as fatigue resistance, vibration reduction, high temperature resistance, and designability. It is used in aerospace, energy, transportation, construction, and machinery. Other fields have been widely used. Glass fiber is usually used as a reinforcing material in composite materials, electrical insulation materials and thermal insulation materials. Since the glass fiber reinforced composite material is an anisotropic material, the strength in the thickness direction is very weak, especially the strength of the adhesive layer between the plies is lower. This will lead to impact damage and destruction of the composite plate shell during manufacture, transportation, and lateral impact of other objects during service, which will lead to a decrease in the residual strength of the plate shell and seriously affect the performance of the material. The impact damage behavior of glass fiber laminates was analyzed.

In this paper, drop-weight impact tests are performed on thick glass fiber laminates to investigate the effect of low velocity impact on the residual strength (CAI) of composite laminates. The impact mechanism of different heights or different impact weights on the plate under the same energy is discussed. The force-time curve, displacement-velocity curve, force-displacement curve and the impact of the same energy in different layers under different energy are explored. Comparison of responses and experimental conclusions.

Keywords: thick glass fiber reinforced composites, drop hammer impact test, low velocity impact, finite element, residual compressive strength.

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1概述 2

1.2.2实验研究 3

1.2.3数值计算研究 4

1.2.4 损伤机理与渐进损伤模型 5

1.3 本论文研究的问题和主要内容 8

第3章 实验设备与方案 9

3.1 引言 9

3.2 实验设备 9

3.2.1实验主要仪器展示 9

3.2.2试样、冲头与夹具设计 10

3.3实验设备原理 11

3.3.1落锤试验机原理 11

3.3.2应变仪原理 11

3.3.3加速度传感器原理 11

3.4实验方案 12

3.5本章小结 12

第4章 ±45º/0º/90º冲击实验结果分析 13

4.1 引言 13

4.2 冲击力分析 13

4.3 冲击速度与变形分析 15

4.4 能量的损耗 15

4.5 表观损伤形貌 17

4.6 本章小结 18

第5章 0º/90º冲击实验结果分析 19

5.1 引言 19

5.2 冲击力分析 19

5.3 冲击速度与变形分析 21

5.4 能量的损耗 22

5.5 表观损伤形貌 22

5.6 两种不同铺层方向实验结果的对比 24

5.7 本章小结 25

结论与展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

复合材料是一大类新型材料的统称,其强度高、刚度大、质量轻,并且具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点,在航空航天、能源、交通、建筑、机械、等领域得到广泛的应用。这种材料最重要的一个特点就是既组合了传统金属材料的抗冲击、抗疲劳、轻质、强度高等优良性能，同时继承了纤维复合材料的优良特能[1-2]。在航空方面,复合材料广泛应用于飞机机身、机翼、驾驶舱等处。先进复合材料在飞机上的用量及应用部位已成为衡量飞机结构先进性及效率的重压指标之一。在近五十年来的飞机制造行业中，由于复合材料质量小、强度大以及可以满足特殊设计的材料性能，因此在当今的飞机制造中，复合材料的广泛应用已经成为一种现象，飞机制造已经越来越依赖复合材料。因此复合材料的开发与设计对于高科技领域的制造业以及一些电子产品的外形设计上都具有重大意义。图1.1所示的是复合材料在现代飞机制造中近些年来的使用比例的变化情况。从图中我们可以看出复合材料的应用普及速度之快。

图1.1 现代飞机中复合材料的应用情况

由于纤维增强复合材料是各向异性的材料性能，在厚度方向上的强度是很弱的，尤其是铺层间的粘接层的强度更低。这会导致复合材料板壳在制造、运输中，以及服役期间受到其他物体的横向冲击后会容易产生冲击损伤和破坏，进而导致板壳的剩余强度下降，严重地影响材料的性能。高速的物体对复合材料板壳结构的冲击会导致明显的局部破坏，如表面目视可测的基体和纤维破坏、侵彻甚至贯彻，但是这些损伤破坏都会很容易的被检测出来。然而，受到低速冲击的复合材料板壳结构也许在内部会产生一些肉眼几乎看不出来的损伤缺陷，比如结构内部的基体开裂、层间分层、基体剪切、纤维断裂等损伤。例如：就复合材料的表面来看，它只有甚至没有轻微的压痕，但是复合材料的内部却已经产生了区域面积内的分层损伤以及产生基体裂纹等等，有时甚至便随着纤维的拔出和基体的完全断裂[3-7]。这些内部损伤破坏将使层合结构的力学性能严重退化，强度可削弱35%~40%，导致承载能力严重地降低，对材料的失效构成了潜在的威胁。复合材料结构的工程应用表明，复合材料层合结构的结构完整性和常规金属材料结构的最大差别是其耐久性低及对冲击损伤的敏感性。因此,研究复合材料层压板的低速冲击损伤及冲击后的力学性能具有重要的理论意义与工程价值。

1.2 国内外研究现状

1.2.1概述

就目前的研究现状而言，对低速冲击载荷下的复合材料的损伤预测模型还不是非常完善，有待进一步的研究，但是随着纤维金属层合板在飞行器上的应用，低速冲击损伤的安全性威胁却是日益突出的，因此，对低速冲击下的纤维金属层合板的性能研究是非常具有实际的意义的，它不仅能推动纤维增强复合板的损伤机理及其损伤容限设计方法的发展，而且对于未来把纤维金属层合板更好地应用于实践，提高复合材料的设计应用能力也是具有非常重大的意义。

国内外的学者分别分析了冲头直径、形状,冲击角度,冲击物质量、材料,冲击能量(速度),层合结构的铺层方式对冲击损伤破坏的影响。同时对复合材料层合结构低速冲击损伤模式、冲击后剩余强度、疲劳寿命及冲击损伤数值模拟进行了大量试验研究。 对复合材料的研究已经经过了几十年的研究，得到了大量的资料，其中最主要的方法有三种：1、理论分析；2、对实物进行大量的试验，归纳总结或得其规律或结论；3、利用有限元软件进行数值模拟。国内外许许多多的学者都致力于研究复合材料的冲击性能，总计归纳起来，其研究的领域范围主要包括以下几个方面：

1.对复合材料的冲击损伤进行分析、评估以及进行预报，在此基础上进一步探讨其损伤机理。

2.先对复合材料进行冲击试验，然后计算复合材料冲击后的剩余强度。

3.改进复合材料的设计，提高其抗冲击性能。

在以上的三个领域中，其中前面两个领域是对复合材料冲击损伤性能研究的一个基础，众所周知，只有当我们获得复合材料在受到冲击载荷之后的损伤形状，面积的大小，损伤的机理之后，才能更充分获得资料数据，以便更好地得到最终的目的：即改进复合材料的设计，提高它的抗冲击性能，以便更好地应用于工程实践。

总的来说，经过几十年的研究，取得了非常显著地成果，就理论方面而言，其最主要的成果就是在传统的平面复合材料的基于最大应力破坏失效准则的基础上，进行进一步的探讨，设计出三维复合材料的冲击损伤破坏模型，并获得三维复合材料的失效模式，得到失效判据，以及刚度退化的一些规律。但是复合材料的冲击损伤机理、破坏模式是非常复杂的，而且影响产生复合材料的破坏因素是非常多的，因此而言，这对只凭借数学理论推导想得到非常完善的复合材料模型是很难的。

在试验研究方面，最主要的成果是建成相对比较完善的复合材料冲击损伤试验的一个标准体系，而且在试验的过程中用到相当多的先进的检测技术，最终得到了唯象分析模型，不过实验研究也存在缺陷，主要的是材料制备的过程中存在各种各样的因素影响试验的结果，与实际真正的结果会存在比较大的误差，因而在各种情况的影响下，数值分析受到了越来越多的重视。

1.2.2实验研究

实验研究的方法在早些年收到的重视比较多。是低速冲击下研究复合材料的损伤机理，破坏模式，预测评估损伤容限的重要手段和依据。其中最主要的也最具有代表性的方法有落锤冲击实验[8]、摆锤实验[9]、准静态静压等效实验。

图1-2 冲击实验图

落锤冲击实验的研究最主要的是利用落锤或者落重掉落来模拟复合材料层合板的冲击响应。落锤冲击实验技术现在已经非常成熟，并且形成了一套行之有效的试验标准，其中最主要的是ASTM D7136，本文所采用的标准就是此套标准，该试验标准明确规定了实验过程中涉及到的一些材料和设备的尺寸，规定的具体细节为冲击物为半球形冲击物，其直径为12.7mm，被冲击试件的尺寸为150x100mm。其冲击能的改变由调整冲击物的高度来决定，对复合材料的冲击一般情况下都是正冲击，其图形如1-2所示。

试件在进行低速冲击后的实验结果和数据处理也是落锤试验非常重要的一个环节，目前对实验结果处理和分析的方法有两种：

第一种方法是主要着眼于各个变量随时间的变化来进行研究[10-11]，即在低速冲击实验的过程中根据实验者的需求，例如获得接触力-时间、应力-时间、应变-时间、各种能量-时间等的数据，根据这些数据用来计算确定冲击过程中复合材料的损伤和裂纹的扩展情况，以及冲击过程中复合材料的各个损伤阶段与所对应的应力、应变、能量释放的具体关系。这种关系的有点在于为复合材料层合板的损伤的产生和扩展提供了比较可靠的大量的数据。本文即采用该方法。

第二种方法是从最初的冲击过程中的一些参数以及复合材料层合板本身的一些性能参数对复合材料层合板在承受冲击载荷之后所造成的损伤破坏结果的影响着手进行分析和评估[12-13]；该方法主要是研究在各种工况下冲击载荷对复合材料结构的损伤破坏情况以及受到冲击载荷后对复合材料层合板的剩余强度的影响，最主要的方式为改变落锤的冲击能量或者冲击速度、以不同质量或者不同大小的冲击物冲击复合材料层合板、改变复合材料层合板中各层的厚度或者铺层方向、改变复合材料中基体与纤维增强物的比例。这种数据的处理的方法最主要的优势是对复合材料结构的优化以及安全性设计的帮助比较大，与此同时，还能为复合材料在损伤阻抗以及容限方面起到一个比较可靠的依据作用。

1.2.3数值计算研究

数值计算是近些年来才发展起来的，是伴随着实验研究而逐渐发展起来的，实验研究虽然取得了比较丰富的成果，但是也存在一些不可克服的缺点，总结起来可以概括如下： （1）复合材料层合板在低速冲击下的损伤是一个瞬态过程，其损伤破坏过程想要实时测量出来是非常困难的，我们能够得到的一般都只是一个最终的损伤模样，而其具体的损伤破坏过程非常难以剖析、理解、把握；

（2）影响复合材料损伤破坏的因素非常多，与复合材料本身的材料性能参数、复合材料层合板每层的厚度、复合材料铺层的方向都有很大的关系，还与实验过程中的冲击能量、冲击速度、冲击物的大小、冲击物的质量也有很大的关系，因而想要弄清复合材料层合板的损伤有具体每一项因素之间 的具体数值关系，是需要大量的不同的实验研究，因而会耗费大量的人力、物力、其科研经费会大量增加、而且科研周期也会延长。

（3）在前面的介绍中可知，实验研究是有不同标准的，而且每个标准对复合材料层合板的具体尺寸、边界条件以及冲击物的尺寸大小都是不同的，因而实验只能在规定的范畴内进行，而具体材料的具体应用条件与实验中的条件是存在非常大的差别的，因而实验结果在具体的应用中未必合适。

上面所述的实验研究存在的缺点都可以用数值分析来克服，所以数值计算近年来受到越来越多的重视，利用数值计算来模拟低速冲击下的复合材料层合板的动态响应以及进行冲击损伤预报和评估显示出了实验研究无法比拟的优越性。但是，数值计算中的计算模型都是经过一定的简化后得到的简化模型，因而还具有很大的局限性。

总的来说，就研究纤维金属层板目前的情况，无论是在试验方面还是数值方面都取得了非常大的成果，国内外的许多学者队纤维金属层合板进行各方面的比较系统的研究[14]：

Abrate[15-17]广泛的研究了复合材料结构的冲击性能。而大量的研究证明纤维金属层板结合了纤维增强复合材料和金属优异性能，因而具有良好的疲劳和断裂特性。

Olsson[18-20]分类的研究了两种不同类别的低速冲击行为，一种是小质量的冲击物冲击，一种是大冲击物冲击，并且其冲击物的大小由冲击物与冲击目标的比率来决定。当冲击物的质量比被冲击目标的重量小的时候，将会产生以剪切和弯曲波为主的响应。当冲击物的质量比被冲击物的质量大很多的时候，他可以近似的看做准静态压缩反应。

Caprino [21]等人证明总体上纤维增强金属混杂层合板在低速冲击下的冲击力-位移曲线仅仅依赖于冲击能量，而不是冲击物的质量和冲击物的速度。

Fanp[22-23]不仅从实验方面研究了目标层合板的厚度、目标层合板的尺寸、冲击物的直径等因素对低速冲击产生的穿孔能量的影响，而且利用ABAQUS 有限元软件建立了复合材料为三维壳单元，采用自带的 Hashin 损伤准则；铝合金薄板采用弹塑性模型以及延性金属破坏准则和剪切失效准则来对其进行数值模拟，得到各种情况下的穿孔能量，其模拟结果与实验结果相比照，非常吻合。

以上所有研究都是基于薄的层合板进行的试验数据分析，本文将对厚玻璃纤维复合材料板进行冲击损伤的行为分析，这将是在薄板的基础上更加具有创新意义的实验。

1.2.4 损伤机理与渐进损伤模型

（a）损伤机理的介绍

玻璃纤维增强复合材料层合板在纤维方向具有很高的强度和模量，这也使得其在工程上得到了广泛的应用。但是，在厚度方向其强度很弱，当受到厚度方向的冲击时，层合板很容易收到损伤，如基体开裂，层间分层、基体剪切等。而层间分层和基体开裂是其中最为重要和常见的损伤，层间分层不仅会降低层合板的模量和强度，还会在很大程度上降低 层合板整体结构的稳定性，所以层间分层是十分重要的一种损伤形式。因此，对分层的损伤位置及其扩展情况的研究是具有重大意义的。

近年来，专家学者们对层间分层进行了很多的研究。其中分层损伤的损伤机理就是其中一项很重要的研究，Choi和Chang[24]总结了层间分层主要的两种损伤机理：分别是由剪切基体引起的分层和弯曲基体引起的分层。如图2.1所示。

图2.1分层损伤的两种机理

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