复合材料层合板损伤区域扩展全过程分析

３６　复合材料层合板损伤区域扩展全过程分析　２０１７年８月　

复合材料层合板损伤区域扩展全过程分析　

陈星杰　，周仕刚　，宫占锋　，罗腾腾　

（１．同济大学航空航天与力学学院，上海　２０００９２；２．上海飞机设计研究院，上海　２００２３２）　摘要：对碳纤维ＮＣＦ层合板进行了２组准静态压痕试验。第１组采用不同的压头尺寸探究不同压头直径对层合板损伤　区域和面积的影响；第２组进行固定压头尺寸的重复试验，使用非接触空气耦合超声波扫描试样损伤情况，研究静压痕力、凹　坑深度、损伤面积三者之间的联系。利用Ａｂａｑｕｓ有限元软件，根据Ｈａｓｈｉｎ准则和内聚力单元的结合，对第２组层合板准静态　压痕试验进行全过程的损伤扩展分析。分析结果表明，基体拉伸的破坏是层合板最容易出现的破坏，而且其损伤区域涵盖了　其他４种损伤区域。凹坑深度与损伤面积存在一定联系，试验开始阶段凹坑增加速度缓慢，损伤面积增加速度较快；接近极限　载荷时，凹坑深度增加速度加快，损伤面积增加速度减缓。　关键词：静压痕力；Ｈａｓｈｉｎ准则；内聚力单元；损伤扩展　中图分类号：ＴＢ３３２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３－０９９９（２０１７）０８—００３６—０６　

１　引　言　先进复合材料层合板具有比强度、比刚度高和　可设计性强等特点，已经被广泛应用于航空航天、能　

源、交通、建筑、机械等领域¨４。。　

然而复合材料的缺点也是显而易见的，那就是　

对冲击载荷十分敏感，在冲击载荷作用下其内部极　易产生大量的损伤。特别是在低能量冲击作用下，　

层合板表面并不出现明显损伤，或者出现轻微的损　

伤，但在其内部却已经产生了大量的基体裂纹、大面　

积的层间脱层、少量的纤维断裂和冲击点下方局部　

的基体受压失效等形式的损伤，这些损伤对于复合　

材料性能的影响有时是致命的。近年研究　’　提　出，复合材料结构设计中应考虑损伤容限，即一定损　

伤状态对结构性能的影响。因此，对于含损伤复合　

材料结构剩余强度的预测成为研究热点。　早期大多采用低能量下的落锤冲击方法进行损　

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｅｎｇｔｈ２０２１ꎬ４３(５):１２６２￣１２６６ＤＯＩ:１０􀆰１６５７９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１􀆰９６６９􀆰２０２１􀆰０５􀆰０３５

∗２０２００７１３收到初稿ꎬ２０２００９０５收到修改稿ꎮ∗∗贾云龙ꎬ男ꎬ１９９２年５月生ꎬ河南周口人ꎬ汉族ꎬ航天行云科技有限公司主管设计师ꎬ硕士ꎬ主要从事振动与强度研究ꎮ一种复合材料层合板分层扩展的修正内聚力模型∗ＡＣＯＲＲＥＣＴＥＤＣＯＨＥＳＩＶＥＺＯＮＥＭＯＤＥＬＩＮＴＨＥＩＮＴＥＲＬＡＭＩＮＡＲＦＲＡＣＴＵＲＥＯＦＣＯＭＰＯＳＩＴＥ贾云龙∗∗１ 徐　琳２ 项　斌１(１.航天行云科技有限公司ꎬ武汉４３００４０)(２.武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室ꎬ武汉４３００６３)ＪＩＡＹｕｎＬｏｎｇ１　ＸＵＬｉｎ２　ＸＩＡＮＧＢｉｎ１(１.ＬｅｏｂｉｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＷｕｈａｎ４３００４０ꎬＣｈｉｎａ)(２.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＳｈｉｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎꎬＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＷｕｈａｎ４３００６３ꎬＣｈｉｎａ)摘要　针对复合材料的分层现象ꎬ考虑初始断裂韧性和裂尖材料损伤的影响ꎬ提出了一种修正内聚力模型ꎬ并给出了内聚力模型参数确定的方法ꎮ根据相关试验ꎬ采用该方法ꎬ获得了考虑初始断裂韧性和裂尖材料损伤的内聚力模型ꎬ基于该内聚力模型对试验进行了仿真分析ꎮ结果表明ꎬ与仅考虑初始断裂韧性获取的内聚力模型相比ꎬ考虑初始断裂韧性和裂尖材料损伤的内聚力模型ꎬ可以更加准确地模拟复合材料的分层现象ꎮ关键词　复合材料　内聚力模型　裂纹扩展　数值仿真中图分类号　ＴＢ３３２Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒｂｏｔｈｍａｔｅｒｉａｌｄａｍａｇｅｏｆｔｈｅｃｒａｃｋｔｉｐａｎｄｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓꎬａｃｏｒｒｅｃｔｅｄｃｏｈｅｓｉｖｅｚｏｎｅｍｏｄｅｌ(ＣＺＭ)ｔｈａｔｃｏｎｓｉｄｅｒｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌｄａｍａｇｅｏｆｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｅｄｃｏｈｅｓｉｖｅｚｏｎｅｍｏｄｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｔｈｅｅｎｄｎｏｔｃｈｆｌｅｘｕｒｅ(ＥＮＦ)ｔｅｓｔｈａｓｂｅｅｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｉｎｔｈｅＡＢＡＱＵＳ/Ｓｔａｎｄａｒｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒｂｏｔｈｍａｔｅｒｉａｌｄａｍａｇｅｏｆｔｈｅｃｒａｃｋｔｉｐａｎｄｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓꎬａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｅｄｃｏｈｅｓｉｖｅｚｏｎｅｍｏｄｅｃａｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＣｏｍｐｏｓｉｔｅꎻＣｏｈｅｓｉｖｅｚｏｎｅｍｏｄｅꎻＣｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎꎻＦＥＭＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ:ＪＩＡＹｕｎＬｏｎｇꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｗｈｕｔｊｉａｙｕｎｌｏｎｇ＠ｆｏｘｍａｉｌ.ｃｏｍꎬＴｅｌ:＋８６￣２７￣５９３９３３００Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔｒｅｃｅｉｖｅｄ２０２００７１３ꎬｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２０２００９０５. 引言复合材料结构由于具有高比模量、高比强度、优良的能量吸收性能、耐腐蚀性ꎬ越来越广泛地应用于船舶、航空航天等领域ꎮ层合复合材料结构、夹芯复合材料结构、胶接复合材料结构等受到了广泛关注[１￣８]ꎮ在复合材料结构的服役期间ꎬ材料界面的初始缺陷或应力奇异点ꎬ使复合材料结构的界面处极易产生分层破坏ꎬ导致复合材料结构的失效[９￣１３]ꎮ目前ꎬ内聚力模型(ＣＺＭ)广泛地用于研究复合材料分层的现象ꎮ内聚力模型使用界面应力与界面相对位移(Ｔｒａｃｔｉｏｎ￣Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ)描述复合材料的界面分层现象ꎮ通过选择合理的参数ꎬ内聚力模型可以很好地模拟复合材料的分层现象[１４￣１５]ꎮ对于复合材料ＩＩ型界面分层现象ꎬ１９８２年ＲｕｓｓｅｌｌＡＪ和ＳｔｒｅｅｔＫＮ利用端部缺口弯曲(ＥＮＦ)试验进行了研究[１６]ꎮ根据端部缺口弯曲试验ꎬ基于线弹性断裂力学的分析表明ꎬ随着预置的裂纹长度的变化ꎬＩＩ型裂纹的初始断裂韧性也随着变化[１７]ꎮ基于内聚力模型ꎬ对端部缺口弯曲试验的分析表明ꎬＩＩ型裂纹的初始断裂韧性和预置裂纹的长度无关[１８]ꎮ当裂纹扩展时ꎬ裂纹尖端附近材料产生损伤ꎬ这种损伤对于复合材料的分层现象不可忽视[１９][２０]２４４３￣２４５５ꎮ因此ꎬ没有考虑裂纹尖端附近材料损伤的线弹性断裂力学就不适用了ꎮ在研究复合材料ＩＩ型分层现象的端部缺口弯曲试验中ꎬ断裂韧性的准确计算ꎬ须考虑裂尖处的材料损伤ꎮ内聚力模型是一种简单有效考虑裂尖材料损伤的方法[２１]ꎮ基于端部缺口弯曲试验ꎬ文献[２２]４７３￣４８７对ＩＩ型裂纹进行了研究ꎮ文献[２３]１７４￣１８１采用内聚力模型对该试验进行了有限元模拟ꎬ指出双线性内聚力模型Copyright©博看网 . All Rights Reserved.　第４３卷第５期贾云龙等:一种复合材料层合板分层扩展的修正内聚力模型１２６３ 不能模拟ＩＩ型裂纹的扩展ꎮ考虑到裂尖材料损伤和初始断裂韧性ꎬ提出了一种确定内聚力模型参数的方法ꎮ基于相关试验结果ꎬ采用该方法得到了考虑初始断裂韧性和裂尖材料损伤的内聚力模型ꎮ基于该内聚力模型ꎬ采用商业有限元软件Ａｂａｑｕｓꎬ对试验现象进行了仿真ꎮ结果表明ꎬ较其他方法得到的内聚力模型ꎬ该内聚力模型可以更准确地模拟复合材料结构的分层现象ꎮ１　理论基础１􀆰１　内聚力模型在使用内聚力模型进行复合材料分层现象的研究中ꎬ双线性内聚力模型和梯形内聚力模型是比较常用的ꎬ如图１所示ꎮ图１　常用内聚力模型Ｆｉｇ.１　ＴｈｅｃｏｍｍｏｎｆｏｒｍｓｏｆＣＺＭ在初始加载阶段ꎬ内聚力τ与界面相对位移δ∗成线性关系ꎻ当内聚力τ等于内聚力强度τＣ时ꎬ界面材料的刚度随着界面相对位移的增加开始衰减ꎻ当界面的相对位移等于界面相对位移临界值δｆ时ꎬ界面材料彻底失效ꎬ刚度变为零ꎮ应力位移曲线所围成的面积等于断裂韧性ＧＩＩｃꎮ对于复合材料分层现象ꎬ断裂韧性通常随裂纹扩展而逐渐增加ꎬ可以用Ｒ曲线表示ꎬ如图２所示ꎮ结合内聚力模型ꎬ描述复合材料分层现象的Ｒ曲线可做如下[２３]１７４￣１８１ＧＩＩδ∗()＝ＧＩＩｃꎬｉｎｉ＋∫δ∗０τδ()ｄδ(１)式中ꎬτ为裂尖材料损伤区的剪应力ꎻＧＩＩｃꎬｉｎｉ为界面材料的初始断裂韧性ꎻ裂尖位置的界面相对位移为δ∗ꎻδ是裂尖材料损伤区的界面相对位移ꎮ根据公式(１)即可得到内聚力模型[２４]τδ∗()＝∂ＧＩＩ∂δ∗(２) 当试验获取ＧＩＩ￣δ∗曲线后ꎬ根据公式(２)就可得到描述复合材料分层现象的内聚力模型

复合材料层合结构的层间剪切效应分析

引言

复合材料是由不同成分组成的材料，具有优异的力学性能和性能组合。其中，复合材料的层合结构由多个层片材料叠加而成，各层之间通过界面连接。层间剪切效应是复合材料结构中一个重要而复杂的现象，对材料的力学性能和损伤行为有着显著影响。

1. 复合材料层合结构的基本概念

复合材料层合结构是由复合材料的多个层片材料通过粘接或热压等方式连接而成。每个层片材料在层间相互叠加的过程中，能够提供不同的性能和功能。常见的复合材料层合结构包括层合板、层合梁和层合壳等。

2. 层间剪切效应的原理

复合材料层合结构中的层间剪切效应是指不同层片材料之间的相对滑移和变形现象。由于每个层片材料具有不同的刚度和强度，层间剪切效应会导致应力集中和损伤的形成。层间剪切效应的主要原因包括层间间隙的存在、界面粘合强度的差异以及不均匀的层间应力分布等。

3. 层间剪切效应的分析方法

为了研究复合材料层合结构中的层间剪切效应，研究人员采用了多种分析方法和试验手段。常见的分析方法包括有限元方法、解析方法和实验方法等。有限元方法能够对复合材料结构进行详细的数值模拟，通过引入界面模型和层间剪切效应模型，可以定量地分析层间剪切效应对结构强度和刚度的影响。解析方法则通过理论推导和多层板理论等方法，简化问题并获得近似解。实验方法包括剪切试验、微观观察和损伤分析等，可以验证数值模拟结果并提供现场情况。

4. 层间剪切效应的影响 层间剪切效应对复合材料层合结构的力学性能和损伤行为有着显著影响。具体影响包括以下几个方面：

4.1 强度和刚度：层间剪切效应会导致局部的应力集中，从而降低结构的强度和刚度。材料在层间滑移过程中也会产生能量耗散，使结构的能量吸收能力减弱。

4.2 损伤形态：层间剪切效应会引起界面的剪切破坏，形成界面剥离、界面切割和界面滑移等损伤形态。这些损伤形态会进一步扩展到复合材料的整个结构中，导致结构的力学性能下降。

三维渐进损伤的复合材料层合板低速冲击模型

郭卫

【摘 要】为了有效反映复合材料层合板面内和层间的非线性损伤，建立了一个新型的损伤模型，该模型基于三维实体单元和内聚力单元可以有效分析复合材料层合板在低速冲击作用下的层内和层间非线性失效行为。对于复合材料层合板面内损伤，以改进的Hashin失效准则作为起始损伤准则，提出了一种基于能量释放率的损伤变量指数渐进演化模型，既描述了复合材料损伤的渐进失效过程，又避免了材料刚度突然下降导致刚度矩阵奇异的不足，同时引入特征长度来降低结果对网格的依赖性，最终建立了单层板的渐进损伤非线性分析模型；针对层合板的层间损伤，采用内聚力单元来模拟，通过结合传统的应力失效准则和断裂力学中的能量释放率准则定义了界面损伤演化规律。该损伤模型通过商用有限元软件ABAQUS/Explicit 的用户子程序VUMAT实现，并使用该模型对碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板在横向低速冲击作用下的损伤和变形行为进行预测分析。数值仿真的结果与试验结果进行了比较，吻合良好，验证了该模型的有效性。%In order to effectively

describe the progressively intralaminar and interlaminar damage for

composite laminates , a three dimensional progressive damage model for

composite laminates used for low-velocity impact is presented in this

paper .Being applied to three di-mensional solid elements and cohesive

elements , this nonlinear damage model can be used to analyze the