复合材料层合板冲击损伤影响因素分析

纤维增强树脂基复合材料具有比强度、比刚度高，特别是可设计性等特点，因而在许多重要的工程结构中得到广泛应用。复合材料层合结构在制造和使用过程中常常会遇到的诸如工具坠落、设备撞击等低速冲击使其容易产生损伤，并且表面损伤往往很小，很难直接观察到，而内部和冲击内表向往往损伤严重，会导致结构的强度及稳定性有所降低，这已经成为限制复合材料层合结构得到更广泛应用的一个重要因素。近年来，许多学者都针对复合材料在工程结构应用中的冲击损伤问题进行了试验研究及理论数值分析，并取得了一定的进展。从现有的文献看，大部分研究者都只研究了冲击能量对层合结构冲击损伤的影响，对其他一些重要影响因素，例如层合结构的铺层参数、材料体系等往往关注不够，而这些问题的深入研究是相当重要的。笔者应用三维逐渐累积损伤分析方法及数值分析技术，详细探讨了不同材料的冲头、不同复合材料体系和不同铺层方式等因素对层合板冲击损伤的影响规律，为更有效地进行复合材料抗冲击结构设计提供一定的指导。

1　理论分析

理论分析采用三维逐渐累积损伤分析模型，该模型一般包括两部分：应力分析和失效分析。通常应力分析都采用有限单元分析技术，对复合材料层合板而言，其应力分析的基础是经典层合板理论。采用ANSYS软件对复合材料层合板进行应力分析。失效分析是逐渐累积损伤分析方法中的一个重要步骤，它直接关系到整个分析过程结果的好坏。失效分析主要包括失效准则和参数退化两部分。

1.1　失效准则

关于冲击损伤失效准则，许多学者都进行了大量的研究。Chang等通过对含应力集中复合材料层合板的研究提出了纤维失效和基体开裂的准则，其中关于纤维失效的准则中只考虑了应力分量σ₁₂对纤维失效的影响而没有考虑应力分量σ₁₃，实际上，σ₁₃和σ₁₂对纤维失效有同样的影响；在关于基体升裂的准则中，没有考虑应力分量σ₂₃的影响，而σ₂₃对基体中剪切裂纹的产生起主要作用。Hou等对上述准则进行了修正，考虑了各种应力对不同失效模式的影响后，提出了包括基体开裂、基体挤压破坏、分层和纤维断裂四种主要失效模式的冲击损伤失效判据，Li等、Qi等均采用该判据进行了层合板的低速冲击损伤分析，并与试验结果进行了比较，验证了其合理性。故本研究采用Hou的冲击损伤失效准则：对于基体开裂失效模式（σ₂₂≥0）

　　对于基体挤压破坏失效模式（σ₂₂＜0）

　　对于分层失效模式（σ₃₃≥0）

　　对于纤维断裂失效模式

式中，σ_ij为各单元与材料主方向相对应的应力分量，i=1，2，3，j=1，2，3；S_ij为单层板的剪切强度；σ_Tx、σ_Ty、σ_Tz分别为单层扳沿x、y、z方向的抗拉强度；S_m23为横向与厚度方向基体开裂的剪切强度；S₁₂₃是横向与厚度方向分层的剪切强度；S_f为考虑纤维失效的剪切强度；σ_Cy为单层板沿y方向的抗压强度。

1.2　参数退化

单元发生破坏后，该单元的刚度将发生变化，应力在各单元中的分布也随之改变。Hou等在对层合板的冲击过程进行分析时，选择了以应力退化作为更新策略，这种方式不能反映出材料本身性能的退化。Tan等把由不同损伤模式引起的材料刚度下降用不同的损伤内状态变来表示，同时通过大量的试验研究确定了这些变量的值。笔者在对层合板的冲击分析中采用了该参数退化方式，如表1所示。