1　引言
    復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)在服役過程中常碰到?jīng)_擊問題,如維修中不慎掉落的工具、設(shè)備撞擊等低速沖擊;或者跑道上濺起的沙石、冰雹、飛鳥撞擊等高速沖擊。由于復(fù)合材料對沖擊比較敏感,受到?jīng)_擊后容易產(chǎn)生損傷。高能量或中等能量沖擊會造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的穿透或侵入,這些損傷破壞是容易被檢測出來并進(jìn)行修補(bǔ)的。而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受到低能沖擊后,表面損傷一般較小,甚至目視難以直接觀察到(BVID),但是層壓板內(nèi)部和沖擊內(nèi)表面往往會發(fā)生基體開裂、基體擠壓破壞、分層和纖維擠壓、纖維斷裂等微觀損傷。這些內(nèi)部損傷破壞將使層合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能嚴(yán)重退化,強(qiáng)度可削弱35% -40%,從而導(dǎo)致層合結(jié)構(gòu)承載能力大大降低,形成嚴(yán)重安全隱患。因此,研究復(fù)合材料層壓板的低速沖擊損傷及沖擊后的力學(xué)性能具有重要的理論意義與工程價值。
    國內(nèi)外的學(xué)者分別分析了沖頭直徑、形狀,沖擊角度,沖擊物質(zhì)量、材料,沖擊能量(速度),層合結(jié)構(gòu)的鋪層方式對沖擊損傷破壞的影響。同時對復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)低速沖擊損傷模式、沖擊后剩余強(qiáng)度、疲勞壽命及沖擊損傷數(shù)值模擬[5-6, 19-28]進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。
    2　沖擊試驗(yàn)研究
    2.1　沖擊試驗(yàn)
    沖擊試驗(yàn)研究大部分以半圓頭落錘或落重及擺錘模擬制造和維修時工具掉落對復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)造成的沖擊;以空氣槍(gas gun)模擬飛機(jī)起飛及降落時跑道上碎石飛濺或冰雹對機(jī)體所造成的沖擊破壞。
    結(jié)果表明,沖頭的形狀對沖擊后層板的疲勞壽命有很大的影響,在相同的沖擊能量作用下,沖頭形狀越尖銳,沖擊后的疲勞壽命降低越多[2-3]。在相同沖擊吸收功條件下,沖擊物越硬,層壓板各鋪層的損傷面積越大,層壓板內(nèi)部的損傷程度越嚴(yán)重,其剩余拉伸強(qiáng)度越低。受不同材料的沖頭沖擊后,層壓板的整板損傷形狀、模式、面積差別不大。
    2.2　低速沖擊損傷模式
    由于層合結(jié)構(gòu)宏觀上的各向異性,細(xì)觀上的多相非均質(zhì)性及呈層性,其損傷破壞模式完全不同于各向同性材料及一般均質(zhì)各向異性材料。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不同于金屬結(jié)構(gòu),其內(nèi)部發(fā)生塑性變形的能力受到很大限制,且纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有良好的彈性,屬于彈脆性材料。當(dāng)復(fù)合材料板受沖擊載荷作用時,一部分沖擊動能轉(zhuǎn)變?yōu)榭苫謴?fù)的彈性應(yīng)變能,另一部分能量被材料所吸收,造成了不可恢復(fù)的損傷。
    復(fù)合材料層壓板的沖擊破壞機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜,低速損傷破壞包括基體開裂、基體擠壓、纖維基體剪切、纖維斷裂、纖維擠壓以及分層等多種形式,但是以基體開裂和層間分層損傷為主,同時在沖擊過程中這些方面還存在相互作用、相互影響。在很多情況下,各種損傷模式可能單獨(dú)或結(jié)合在一起發(fā)生,彼此誘發(fā)和相互耦合。
    Moura[8]對碳/環(huán)氧層壓板進(jìn)行低速沖擊試驗(yàn),結(jié)果表明:層壓板的內(nèi)部損傷主要是分層及橫向裂紋;且兩種損傷相互聯(lián)系,只要在界面處有分層,在相鄰層就會有橫向裂紋出現(xiàn),即分層是由相鄰層的橫向裂紋引起的;分層只在鋪層方向不同的層間產(chǎn)生,具有雙葉形狀,且主軸方向和距離界面處較遠(yuǎn)層的纖維方向一致,這已經(jīng)被Clark模型證實(shí);分層從沖擊表面附近的界面向相反表面附近的界面擴(kuò)展。
    程小全[6]發(fā)現(xiàn)離沖擊面越遠(yuǎn)分層面積越大,沖擊能量增加時,各界面的分層面積增加,與損傷投影面積無直接關(guān)系。在相同能量沖擊下,板的鋪層形式不同,各界面分層面積的大小及其分布規(guī)律有很大變化。沈真[9]發(fā)現(xiàn)對于同一種復(fù)合材料層壓板的沖擊能量—凹坑深度曲線和凹坑深度—壓縮破壞應(yīng)變曲線均存在拐點(diǎn),拐點(diǎn)現(xiàn)象表明復(fù)合材料層壓板對沖擊事件(或接觸力)的抵抗能力發(fā)生了突變。在出現(xiàn)拐點(diǎn)后內(nèi)部的分層損傷疊加面積基本不再增加,壓縮剩余強(qiáng)度基本不再降低,表面沖擊部位開始出現(xiàn)纖維斷裂。
    2.3　沖擊損傷檢測
    沖擊損傷檢測方法包括無損檢測(NDE)及破壞性檢驗(yàn)(Destructive testing)方法。無損檢測方法包括超聲波掃描(Ultrasonic scanning)、X射線照相(X-ray radiography)、聲發(fā)射(Acoustic emission)、溫度記錄法(Thermography)等方法。破壞性檢驗(yàn)(Destructivetesting)方法包括熱揭層技術(shù)(Thermally deplying)、光學(xué)顯微鏡(Optical microscopy)、掃描電子顯微鏡(SEM)等方法。大量研究結(jié)果表明,只用一種檢測技術(shù)不能檢測到所有的缺陷,通常需要采用幾種方法相互配合才能對層合結(jié)構(gòu)的沖擊損傷進(jìn)行正確評價。
    3　沖擊后的力學(xué)性能
    3.1　沖擊后的剩余強(qiáng)度
    沖擊后剩余強(qiáng)度以剩余壓縮性能的研究為最多,這是因?yàn)闆_擊后層板產(chǎn)生分層,在壓縮作用下易產(chǎn)生局部、整體或混合型的屈曲失穩(wěn),導(dǎo)致壓縮性能大幅下降[10]。Asp[11]研究了沖擊后層合板中的分層擴(kuò)展對其剩余壓縮強(qiáng)度的影響。潘文革[12]研究了二維編織環(huán)氧樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料層壓板在室溫和濕熱條件下的沖擊后壓縮性能。結(jié)果表明,材料達(dá)到平衡吸濕后,室溫環(huán)境下的沖擊能量平均下降19. 2%; 70℃、相對濕度85%環(huán)境下,沖擊后壓縮破壞應(yīng)力平均下降54. 3%。
    崔海坡[4]研究了7種沖擊能量作用下T300/BMP-316復(fù)合材料層壓板的沖擊能門檻值,即當(dāng)沖擊吸收功≤5. 0 J時,沖擊損傷對層壓板的剩余拉伸強(qiáng)度影響較小;而當(dāng)沖擊吸收功>5. 0 J后,層壓板的剩余拉伸強(qiáng)度會有較大幅度的降低。
    賀成紅研究了復(fù)合材料低速沖擊后的剩余彎曲強(qiáng)度和模量,結(jié)合沖擊損傷形貌比較了其沖擊損傷模式及演化過程。發(fā)現(xiàn)當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性損失較大時彎曲性能才明顯下降,其中彎曲強(qiáng)度對纖維斷裂更敏感,而彎曲模量對分層更敏感。沖擊中角鋪層復(fù)合材料形成了大面積分層,其彎曲模量較強(qiáng)度衰減更嚴(yán)重。Kang研究了低溫低速沖擊碳/環(huán)氧層壓板剩余彎曲強(qiáng)度,沖擊能量增大時剩余彎曲強(qiáng)度降低。并且溫度降低,環(huán)氧樹脂脆性增大,導(dǎo)致沖擊損傷及剩余彎曲強(qiáng)度都受到溫度影響。
    3.2　沖擊后的疲勞性能
    沖擊損傷對層壓板疲勞性能影響很大,因此國內(nèi)外許多學(xué)者都對其進(jìn)行了分析。試驗(yàn)表明,沖擊后層壓板中含纖維累積損傷面積越大,其疲勞壽命越短。在高應(yīng)力水平下,纖維累積損傷面積對疲勞壽命影響較大,當(dāng)疲勞載荷逐漸減小時,纖維累積損傷面積對疲勞壽命的影響也逐漸減小,甚至沒有影響。Melin]研究了含沖擊損傷的碳纖維/環(huán)氧基復(fù)合材料層合板在等幅疲勞載荷下的分層擴(kuò)展規(guī)律和最終失效機(jī)理。Attia[16]研究了含初始沖擊損傷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在疲勞載荷下的損傷擴(kuò)展過程,并利用應(yīng)變能釋放率對其疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測。Kang[17-18]認(rèn)為在疲勞載荷下,復(fù)合材料剩余強(qiáng)度逐漸下降導(dǎo)致了材料最終失效,而復(fù)合材料層板沖擊剩余強(qiáng)度與無損層合板相比有所下降,因此,含初始沖擊損傷層合板在疲勞載荷作用下提前破壞。
    4　有限元數(shù)值模擬
    將試驗(yàn)研究與有限元數(shù)值模擬相結(jié)合是一種有效的研究手段,很多研究者應(yīng)用有限元模擬方法分別對復(fù)合材料層壓板沖擊損傷和沖擊后力學(xué)性能進(jìn)行研究。
    早期對沖擊的研究工作大部分采用二維模型進(jìn)行模擬,把沖擊后層壓板的損傷做一定的假設(shè),再研究其剩余強(qiáng)度。林智育[19]建立模型將沖擊損傷等效為一剛度折減的橢圓形彈性核,采用含任意橢圓核各向異性板雜交應(yīng)力有限元分析含損傷層壓板的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),并應(yīng)用點(diǎn)應(yīng)力判據(jù)預(yù)測層板的壓縮(或壓、剪)剩余強(qiáng)度。燕瑛把沖擊破壞區(qū)看作一個含有隨機(jī)分布裂紋的圓形不均勻體,采用有限元建模分析,預(yù)測復(fù)合材料層板的沖擊后壓縮強(qiáng)度。Chang考慮了基體開裂、基體纖維剪切及纖維斷裂三種失效形式,建立了含孔復(fù)合材料層壓板的二維逐漸損傷模型,分析了拉伸載荷作用下含孔層壓板的損傷破壞過程。并提出了一種將逐漸損傷方法應(yīng)用于含孔層壓板在壓縮載荷作用下的剩余強(qiáng)度分析模型[22]。Tan[23]提出了與Chang完全不同的一種參數(shù)退化方式,可以更好地模擬層壓板的損傷累積。把由不同損傷模式引起的材料剛度下降用不同的損傷內(nèi)狀態(tài)變量來表示,同時通過大量的試驗(yàn)研究確定這些變量的值。
    二維模型雖然在建模及計(jì)算方面比較方便,但是為了對層壓板進(jìn)行更詳細(xì)的損傷破壞分析,必須建立合理的三維模型。Hou[24]在Chang研究的二維逐漸損傷模型基礎(chǔ)上提出了三維逐漸損傷分析模型對層壓板的沖擊過程進(jìn)行了模擬。Camanho[25]將Tan的參數(shù)退化方式擴(kuò)展到三維。Nguyen[26]只考慮了基體開裂和纖維斷裂這兩種失效模式,采用最大應(yīng)變準(zhǔn)則進(jìn)行失效分析,應(yīng)用三維逐漸損傷方法分析了復(fù)合材料層壓板承載破壞過程。程小全[6]用三維動態(tài)有限元法對兩種層壓板進(jìn)行了低速沖擊損傷模擬計(jì)算,以此作為沖擊后壓縮(CAI)層壓板的初始損傷,然后用三維靜態(tài)有限元對含損傷的層壓板進(jìn)行壓縮破壞模擬和剩余強(qiáng)度計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了層壓板從沖擊損傷到壓縮破壞損傷全過程的模擬。程起有[27]采用沖擊接觸定律、失效準(zhǔn)則和材料性能退化技術(shù),建立三維有限元模型對層壓板的沖擊過程進(jìn)行分析。徐穎[5]基于損傷等效原理,將無損單層板理論引入含初始沖擊損傷層合結(jié)構(gòu)的材料性能漸降模型中,建立了包含基體開裂、基體擠壓、基體纖維剪切、分層和纖維斷裂等復(fù)合材料層壓板主要失效模式的三維逐漸累積損傷的疲勞壽命預(yù)測方法。并在ANSYS軟件平臺上,開發(fā)了參數(shù)化的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊及沖擊后疲勞破壞的分析模擬程序。
    張彥[28]通過有限元軟件ABAQUS/Explicit建立有限元模型,分析纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層壓板在橫向低速沖擊作用下?lián)p傷和變形行為。張華山[29]將復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)橋聯(lián)模型與有限元軟件ABAQUS結(jié)合,用于分析層壓板受低速沖擊作用的極限承載能力。
    5　結(jié)語
    目前對沖擊損傷及剩余強(qiáng)度問題的研究大多采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型中的參數(shù)需要通過大量的試驗(yàn)來確定,成本較高且一般都低估了復(fù)合材料層合板的剩余強(qiáng)度。雖然復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊損傷破壞及其擴(kuò)展問題從實(shí)驗(yàn)研究到有限元數(shù)值模擬都已取得了一定的進(jìn)展,但仍然存在著許多未得到很好解決的問題。有限元結(jié)構(gòu)分析模型,盡管特定條件下的分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合,但是對于應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)上還需要深入研究。
     關(guān)于環(huán)境因素對復(fù)合材料層壓板沖擊后力學(xué)性能的影響已經(jīng)進(jìn)行了很多研究,但是對濕熱環(huán)境沖擊后力學(xué)性能研究的較少。而濕熱環(huán)境是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)最敏感的環(huán)境條件之一,濕熱老化是復(fù)合材料的主要腐蝕失效形式。因此,考慮環(huán)境因素的研究工作將對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的耐久性及可靠性研究具有重要意義。