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复合材料层合板低速冲击损伤影响因素分析屈天骄;郑锡涛;范献银;郑晓霞【摘要】Damage of composite laminates due to low-velocity impact depends on number of factors. The simulation of composite laminates damage is carried out with ABAQUS software. Several influence factors are analyzed in order to foresee the damage resistance of composite laminates in the early stage with the method which regards damage area as the single-variable parameter. Delamination is one of leading damage forms of laminates. Based on damage mechanics, fracture mechanics and cohesive theory, cohesive unites are constituted in this paper to simulate delamination accurately. The point of inflexion is a central characterization of damage resistance. Based on the experiments and finite element model, damage resistances of different laminates are determined by contrasting diverse inflexion value which can be calculated on impact force-time curves. The rationality of the model has been confirmed by the low-velocity impact test.%运用ABAQUS软件对复合材料层合板低速冲击下的损伤状态进行模拟,采用单一变量法,以损伤面积为表征参数,针对影响低速冲击下复合材料层合板损伤性能的诸多因素进行分析,以便在材料研制的初期预见其损伤阻抗.分层损伤是层合板低速冲击下的主要损伤形式之一,基于损伤力学、断裂力学和黏性理论,建立零厚度的三维界面单元来精确模拟层间分层.拐点是损伤阻抗的主要表征,基于试验研究和有限元模拟,在冲击力-时间曲线上计算出拐点,通过比较不同材料的拐点值,判定不同层合板的损伤阻抗.低速落锤冲击试验验证了此模型的合理性.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2011(031)006【总页数】6页(P81-86)【关键词】冲击损伤;影响因素;材料体系;冲头;铺层序列【作者】屈天骄;郑锡涛;范献银;郑晓霞【作者单位】西北工业大学航空学院,西安710072;西北工业大学航空学院,西安710072;西北工业大学航空学院,西安710072;沈阳发动机设计研究所,沈阳110015【正文语种】中文【中图分类】TB332低速冲击对复合材料层合板造成的损伤会使结构的力学性能退化，严重威胁飞机机体的安全。
复合材料层合结构的损伤与断裂行为研究复合材料层合结构的损伤与断裂行为研究是一个重要的领域，它对于提高复合材料的使用性能和延长其使用寿命具有重要意义。
本文将从损伤形成机制、损伤评估方法以及断裂行为研究等方面进行介绍。
首先，复合材料层合结构的损伤形成机制是研究的重点之一。
复合材料由纤维增强体和基体组成，其在受力过程中容易出现纤维断裂、界面剥离、基体开裂等损伤形式。
纤维断裂是指纤维在受力过程中发生断裂，通常是由于纤维内部存在的缺陷或者纤维与基体之间的界面粘结强度不足所引起的。
界面剥离是指纤维与基体之间的粘结强度不足，导致纤维与基体之间发生剥离现象。
基体开裂是指基体材料在受力过程中发生开裂，通常是由于基体材料的强度不足或者存在的缺陷所引起的。
其次，损伤评估方法是研究复合材料层合结构的损伤与断裂行为的重要手段。
常用的损伤评估方法包括非破坏性检测方法和破坏性检测方法。
非破坏性检测方法主要包括超声波检测、红外热像检测、电磁波检测等，它们可以通过检测材料内部的损伤情况来评估材料的损伤程度。
破坏性检测方法主要包括拉伸试验、剪切试验、冲击试验等，它们可以通过对材料进行破坏性加载来评估材料的断裂强度和断裂韧性等性能。
最后，断裂行为研究是研究复合材料层合结构的损伤与断裂行为的关键内容之一。
复合材料在受力过程中常常出现断裂现象，断裂行为的研究可以帮助我们了解复合材料的断裂机制和断裂特性。
常用的断裂行为研究方法包括断口形貌观察、断口扫描电镜分析、断裂力学模型建立等。
通过对断口形貌的观察和分析，可以了解复合材料的断裂模式和断裂机制。
通过断裂力学模型的建立，可以预测复合材料的断裂强度和断裂韧性等性能。
总之，复合材料层合结构的损伤与断裂行为研究对于提高复合材料的使用性能和延长其使用寿命具有重要意义。
通过研究损伤形成机制、损伤评估方法以及断裂行为，可以为复合材料的设计和应用提供科学依据，并为复合材料的性能优化和改进提供技术支持。
复合材料层合板冲击损伤剩余强度分析何周理，李旭辉（中国商飞上海飞机设计研究院，上海201210）摘要：民用飞机复合材料结构设计时必须考虑复合材料层合板的冲击损伤。
通过试验测量和数值模拟两种方法分析碳纤维增强复合材料层合板低速冲击损伤后的剩余压缩强度，试验采用标准试验规范进行测量，数值模拟分析采用层内渐进损伤模型和层间Cohsive模型模拟分析层合板冲击损伤以及剩余压缩强度。
数值模拟与试验结果对比表明，该数值模拟分析方法的有效性，为民用飞机复合材料结构设计时预测和计算复合材料层合板的剩余强度提供方法。
关键词：复合材料层合板；冲击损伤；剩余压缩强度；数值模拟中图分类号：TB338；V214.4文献标识码：A文章编号：1007-9915（2021）02-0015-06 Residual Strengti Analysit of Impacl DamaaeU Composite LaminateoHE Zhonli-LU XiiUni(COMAC SSaaaai AircraOt Desina ant Resexrca Institutx,SSaaaai221010)Abstrrcl:The impdct damaae of composite laminateo must be consieerea in the design of civil aircratt composite strecturea.Two methona,test mesuemeat ant namericyl aimulation,are usc V lo analyae the residual compressive strenath of cyreon00x0reinforcee composite laminatesaaee low velocito impac-damaae.The test it stant-p0experiment,ant the namericol simulation analysis m corrieV ont by usinf the prooressive damaae monel in lami-aaesiaadynhsinesmndsibsewssaiamnaaesi4Thsynmpaeninabsewssaesieesiuieiaadaumsenyaiinmuiaennaihnwi that the namericol simulation methon is effective；whicO provides a methon On preVictina ant colcolatina the residu-aiiieeaeihntynmpninieiamnaaieinaynenianeyeatiynmpninieiieuyiueedeinea4Key words:composite laminates；impad damaae；residualcompressive strenfth；numericol simulation度、重量轻、可设计性等特点，目前已在航空、0前言航天等领域得到了广泛的应用［°0然而在飞机复合材料构件的生产和使用中，各类工具的掉落、纤维增强复合材料由于其高比强度、高比刚跑道上的杂物、冰雹等形成的冲击以及其他各种作者简介：何周理（1993—）男，汉，硕士，高级工程师，主要从事民用飞机复合材料结构设计、研究工作，电子邮箱：hezhoUi@ comae,ccH年高科技纤维与应用11第2期意外撞击都可能造成复合材料构件内部损伤，导致复合材料构件的承载能力大幅下降，对结构的安全性造成潜在的威胁2。
复合材料的损伤机制与评估在当今的工程领域中，复合材料因其优异的性能而得到了广泛的应用。
然而，与传统材料相比，复合材料的损伤机制更为复杂，这给其在实际应用中的可靠性评估带来了巨大的挑战。
为了确保复合材料结构的安全性和可靠性，深入研究其损伤机制并建立有效的评估方法显得至关重要。
复合材料通常由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组成，通过特定的工艺复合而成。
常见的复合材料包括纤维增强复合材料（如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料）和层合复合材料等。
这些材料在强度、刚度、耐腐蚀性等方面表现出色，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育用品等领域。
复合材料的损伤机制可以分为多种类型。
首先是纤维断裂，这通常是由于过大的拉伸或弯曲应力导致纤维无法承受而发生断裂。
一旦纤维断裂，复合材料的承载能力会显著下降。
其次是基体开裂，基体在受到外力作用或内部应力集中时容易产生裂纹。
这些裂纹会沿着基体扩展，影响材料的整体性能。
另外，纤维与基体之间的界面脱粘也是常见的损伤形式。
界面的结合强度不足或者在复杂环境下发生老化，都可能导致纤维与基体之间的分离，从而削弱复合材料的力学性能。
还有一种损伤机制是分层。
在层合复合材料中，由于层间结合力相对较弱，在受到冲击或弯曲等载荷时容易发生层间分离。
这种分层损伤会降低复合材料的层间剪切强度和抗弯性能。
此外，环境因素也会对复合材料造成损伤。
例如，高温、潮湿、化学腐蚀等环境条件会导致材料性能的退化，加速损伤的发生和发展。
为了评估复合材料的损伤情况，研究人员开发了多种方法。
其中，无损检测技术是一种重要的手段。
常见的无损检测方法包括超声检测、X 射线检测、红外热成像检测等。
超声检测通过发射超声波并接收反射波来检测材料内部的缺陷和损伤。
X 射线检测利用 X 射线的穿透性和不同材料对 X 射线吸收程度的差异来成像，从而发现内部的损伤。
红外热成像检测则是通过检测材料表面的温度分布来判断是否存在损伤，因为损伤区域的热传导性能通常会发生变化。
复合材料层合结构抗冲击性能研究进展石南南2,亢志宽1>2*,王利辉,王小娟2,赵卓(1.北京工业大学建筑工程学院，北京100124； 2.北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京100124)摘要：层压复合材料因具有良好的综合力学性能，被广泛用于工业民用、建筑桥梁、军事等结构中。
综述了四类复合材料层合结构的抗冲击性能，包括纤维增强复合材料、混杂纤维增强复合材料、仿生复合材料和功能梯度复合材料。
总结了国内外复合材料层合结构抗冲击性能的研究现状，分析四类常见复合材料层合结构的抗冲击特性。
结合复合材料层合结构抗冲击性能的研究进展，对未来复合材料层合结构在抗冲击方面的应用进行了展望。
关键词：复合材料；抗冲击性能；层合结构；堆叠顺序；功能梯度中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2021)02-0115-08层压复合材料由于具有良好的耐腐蚀、抗疲劳及良好的材料和结构可设计性等因素被广泛用于工业民用、建筑桥梁、军事等结构中。
然而，复合材料层合结构使用过程中，若受到冲击损伤，其内部会产生微观损伤，从而会严重影响复合材料层合板的剩余强度、耐久性及稳定性［1］。
因此，许多学者对层压复合材料在抗冲击性能方面进行了深入的研究。
通过整理相关文献,将常见的层压复合材料大致分成了纤维增强复合材料、混杂纤维增强复合材料、仿生复合材料和功能梯度复合材料四类。
纤维增强复合材料层合板［2］有很多优良特性,如比强度高、可设计性强等，被用于土木工程、军事、船舶等多个领域，纤维增强复合材料层合板还可以进一步分为碳纤维复合材料层合板［3］、玻璃纤维复合材料层合板［4］、芳纶纤维复合材料层合板［5］等。
混杂纤维增强复合材料板［6］是具有多种纤维特性的复合材料。
仿生复合材料层合板是根据生物材料的组分或堆叠顺序等因素而设计的。
生物材料融合了许多特性,高性能的轻质材料由相对较弱和普通的成分制成，是进化发展的结果［7,8］o功能梯度复合材料层合板［10］是组成元素不断变化的新型材料，具有更轻、更坚固、抗冲击性能更强等突出优点。
复合材料低速冲击损伤研究现状摘要：本文对复合材料低速冲击损伤研究现状进行了探讨。
复合材料具有轻质高强、优异的力学性能，广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等工业领域。
然而在低速冲击作用下，复合材料易产生各种损伤和破坏，导致其强度和性能下降。
主要通过应用失效准则对复合材料面板损伤进行判断，最终确定了损伤材料性能对复合材料蜂窝夹芯板力学性能影响的机理。
综上，本文的研究为复合材料低速冲击损伤研究提供了新的思路和方法，也为工程实际中复合材料的设计和应用提供了指导。
关键词：复合材料；低速冲击损伤；研究现状引言：复合材料因具有轻质高强、优异的力学性能，而被广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等工业领域。
然而，在低速冲击作用下，复合材料易产生各种损伤和破坏，导致其强度和性能下降。
因此，对复合材料低速冲击损伤进行研究具有重要的应用和学术价值。
目前，国内外学者对于复合材料低速冲击损伤的研究已经取得了一定进展，但是，在低速冲击加载下，复合材料的损伤机理比较复杂，尚需深入研究。
此外，由于复合材料作为一种新型材料，其应用领域较为广泛，因此研究其低速冲击损伤机理对于其在工程实际中设计和应用具有重要意义。
一、复合材料冲击试验方法1.1试验方法分类复合材料冲击试验方法主要有：冲击测试法，拉伸测试法，压缩测试法和弯曲测试法。
冲击强度是一个用来衡量物质对撞击的抵抗能力，或判定物质的脆性与韧度的物理量[1]。
材料冲击性能测试属于动态力学测试，其吸波函数可以直接反映出材料的冲击韧度。
其中，冲击实验是一种很好的测试方法，可以用来测试材料在较低速度下的耐冲击性能。
由于其自身的结构特征，当前国内外对其耐低速撞击性能的研究主要有两种方式：一种是利用多个落锤对试样进行多次撞击，然后记录每次撞击的下坠过程；二是采用落锤式实验装置，对试样进行多次撞击，记录每次撞击的下落情况，以测试材料的低速撞击强度。
1.2试验拉伸强度公式在一定的气温、相对湿度和拉伸温度等情况下，可以要求给标准规格的哑钟形试样施以最大拉伸压力，当材料发生了被拉断的现象时，试样所受到的最大载荷P值和试样的最大横截面积（bd）之比，就是材料的最大拉伸强度：（1）因为在拉伸过程中，试样的宽度和厚度也在不断地改变中，而横截面积存有数值变化，故通常可通过试样初始的宽度来测算拉伸厚度。
第丨期 纤维复合材料No.I36 2021 年3 月FIBER COMPOSITES Mar. 2021复合材料层合板损伤容限敏感性参数研究武海鹏，韩琳(哈尔滨玻璃钢研究院有限公司，哈尔滨150028)摘要本文针对碳纤维增强复合材料层合板冲击下的损伤容限参数敏感性进行分析。
对复合材料层合板损伤容 限的影响参数、纤维角度、铺层顺序、层合板厚度、冲击速度和冲击角度等进行冲击损伤仿真，采用蔡-吴强度 准则评价层合板冲击的剩余强度，并对各参数影响的敏感性排序，确定纤维角度和铺层顺序为复合材料层合板冲 击下损伤容限的敏感参数。
关键词复合材料；损伤容限；冲击；敏感性参数Research on the Damage Tolerance SensitiveParameters of Composite LaminateWU Haipeng, HAN Lin(Harbin FRP Institute Co. ,Ltd. ,Harbin 150028)ABSTRACT This article aims on the analysis of the damage tolerance sensitive parameters of carbon fiber reinforced laminate under impact. The test simulates the impact damage on damage tolerance effective parameters of composite laminate, fiber orientation, ply stacking sequence, thickness of laminate, impact velocity and impact angle, using the Tsai -Wu strength criterion to evaluate the residual strength of laminate impact and sequencing all parameters *effective sensibility，and confirmed that fiber orientation and ply stacking sequence are the sensitive parameter of damage tolerance of composite laminate under impact.KEYWORDS composite material ；damage tolerance；impact；sensitive parameter1引言由于复合材料质量轻、强度高，因此在航空航 天领域得到了广泛的应用，但复合材料层合板结构 在使用和维护过程中容易受到低能量载荷冲击，如冰雹碎石的冲击、维修时工具的坠落等。
复合材料层合板损伤失效模拟分析随着科技的不断发展，复合材料在现代社会中的应用越来越广泛。
其中，层合板作为一种具有优异性能的材料，被广泛应用于航空、航天、汽车等领域。
然而，层合板在服役过程中也存在着损伤失效的问题，对于其损伤失效的模拟分析方法进行研究具有重要意义。
关键词：复合材料、层合板、损伤失效、模拟分析复合材料层合板具有高强度、高刚度、耐腐蚀等优点，因此在各个领域得到了广泛的应用。
然而，其在服役过程中会受到各种载荷的作用，如应力、温度、化学环境等，容易导致损伤失效的问题。
在有些情况下，损伤失效可能引发重大安全事故，因此对复合材料层合板损伤失效的模拟分析方法进行研究，对于提高其服役性能和安全性具有重要意义。
内在因素：主要包括材料的制备工艺、微观结构和组成成分等。
这些因素会影响材料的力学性能和耐久性，如强度、刚度、韧性和耐腐蚀性等。
外部因素：主要包括服役过程中的各种载荷作用、环境条件和服役时间等。
这些因素会影响材料的应力状态和环境适应性，如拉伸、压缩、弯曲和耐高温性能等。
基于力学模型的模拟方法：根据材料的力学性能和外部载荷的作用，建立力学模型，如有限元模型、应力-应变模型等，对材料的损伤失效进行模拟和分析。
基于物理模型的模拟方法：根据材料的微观结构和组成成分，建立物理模型，如分子动力学模型、晶格动力学模型等，对材料的损伤失效进行模拟和分析。
基于经验模型的模拟方法：根据大量的实验数据和经验公式，建立经验模型，如响应面模型、神经网络模型等，对材料的损伤失效进行模拟和分析。
本文介绍了复合材料层合板损伤失效模拟分析的相关内容。
复合材料层合板在服役过程中会受到各种载荷的作用和环境条件的影响，容易导致损伤失效的问题。
为了有效预测和控制其损伤失效，需要建立合适的模拟分析方法。
目前，基于力学模型、物理模型和经验模型的模拟方法已被广泛应用于复合材料层合板的损伤失效模拟和分析中。
这些方法可用来研究材料的内在因素和外部因素对损伤失效的影响，从而为提高材料的服役性能和安全性提供指导。
含分层损伤复合材料结构现状分析一、工程背景纤维增强复合材料的力学性能具有可设计性，并且与金属材料相比具有比强度高和比刚度高的优点，因此复合材料在各个领域，特别是航空航天领域得到了越来越广泛的应用。
在航空领域中，复合材料结构件在飞机机体结构中所占比例大幅度提高，目前一些先进飞机的复合材料结构件重量已占全机结构重量的25%～65%现代航空发动机为了获得高的推重比，大量采用高强度、轻质的钛合金和复合材料。
早在七十年代，国外一些大的航空发动机制造公司就已经开始把各种先进复合材料应用于燃气涡轮发动机。
F110、F404、M88等发动机都采用了碳纤维增强树脂基复合材料的外涵机匣。
除了应用于静子部件外，碳纤维增强树脂基复合材料还被GE公司应用于GE90发动机的风扇叶片上，该叶片采用全复合材料结构，由石墨纤维环氧预浸带制成。
我国某型涡轮风扇发动机也采用了由碳纤维树脂基复合材料层合板制成的外涵机匣，减重效果明显。
然而，复合材料结构在生产和使用过程中会不可避免地出现各种缺陷或损伤。
由冲击事件、制造过程中的工艺不完善和疲劳载荷等引起的分层损伤是复合材料层合结构主要的损伤形式之一。
这种损伤会引起复合材料层合结构的强度和刚度的降低。
而较低的复合材料层合结构层间性能，在外载荷的作用下可能引发分层的扩展，导致层合结构在远低于设计值时发生结构破坏。
所以研究含分层损伤的层合结构在外载荷作用下的损伤模式及最终的破坏载荷具有重要的意义。
本课题的研究目的就是从工程实际应用出发，针对含初始分层复合材料层合结构，发展一种三维有限元逐渐累积损伤分析技术（包括分析模型与分析方法）。
考虑子板屈曲以及子板之间的接触对层合结构的损伤模式和最终破坏载荷的影响，模拟含分层损伤的层合结构的纤维断裂、基纤剪切、基体开裂和分层四种损伤类型的损伤起始、扩展直至最终破坏的整个过程。
以ANSYS软件为有限元计算平台，应用本论文所发展的模型和方法对含初始分层损伤的某航空发动机复合材料结构件进行损伤及扩展规律分析，从而确定该结构件是否还可以继续安全使用。
复合材料的分层缺陷引言目前被广泛用于飞机承力构件的纤维增强树脂基复合材料（CFRP）主要是层合板与层合结构。
在层合板的制造过程中，常由于许多不确定的因素，使复合材料结构发生分层、孔隙、气孔等等不同形式的缺陷；同时，复合材料层合板在装配与服役过程中所受到低能冲击很容易引发各种形式的损伤。
由于增强纤维铺设方向的不一致常导致铺层间刚度的不匹配，引发较高的层间应力，而层间应力的主要传递介质是较弱的树脂基体，因此对于复合材料层合板，分层是其主要的损伤形式。
有报导统计，复合材料层合板在加工、装配和使用过程中产生的分层损伤，占缺陷件的50%以上[1]。
分层常存在于结构内部，无法根据表面状态检测出来，并且分层的存在极大地降低了结构的刚度，特别在压缩载荷作用下，由于发生局部屈曲而导致分层扩展，使结构在低于其压缩强度时发生破坏。
在飞机研制与制造过程中，复合材料层合板的分层损伤问题一直是难以解决的结构问题之一，也是影响CFRP 在结构组分中应用的主要限制因素。
因此，如何充分地结合试验测试，利用数值模拟的方法评估分层的许和容限，成为决定飞机结构综合性能的亟待解决的关键问题。
1.1分层产生的原因Pagano 和Schoeppner[2] 根据复合材料构件的形状，将分层产生的原因分为两类。
第一类为曲率构件，工程中常见的曲率构件包括扇形体、管状结构、圆柱形结构、球形结构和压力容器等；第二类为变厚度截面，工程中常见于薄层板与补强件连接区域、自由边界处、粘合连接处及螺栓接合处等。
在上述结构件中，临近的两铺层极易在法向和剪切向应力作用下发生脱胶和形成层间裂纹。
以外，温湿效应、层板制备和服役状态等亦是分层产生的原因。
由于纤维与树脂的热膨胀系数以及吸湿率均存在差异，因此，不同铺层易在固化过程产生不同程度的收缩并在吸收湿气后产生不同程度的膨胀，不同程度的收缩与膨胀所产生的剩余压力是导致分层的源头之一[3，4] 。
在层合板的制备过程中，由于手工铺设质量具有分散性，极易形成富树脂区，进而引发树脂固化时铺层间的收缩程度差异，使层间具有较低的力学特性，极易形成分层[5，6] 。
层合板冲击损伤的 PD 率效应本构模型分析孙朝阳;黄再兴【摘要】从近场动力学（简称PD）理论的PMB材料模型出发，结合Kelvin‐Voigt粘弹性固体模型，建立PD率效应本构模型。
采用LAMMPS软件模拟了环氧树脂板、纤维增强复合材料单向层板和多向铺层层合板受冲击的情况。
通过分析各板的冲击损伤，探索纤维对板的增强作用。
同时，分析了不同冲击速度下层合板上下表面的损伤程度，初步探讨了从低速碰撞到高速冲击过程中复合材料层合板的破坏机理及规律。
%A peridynamic rate‐dependent constitutive equation is advanced based on the prototype micro‐elastic brittle (PMB) model and the Kelvin‐Voigt viscoelastic model .By means of the LAMMPS molecu‐lar dynamic code ,we perform the simulations for the isotropic circular epoxy plate ,the uni‐directional composite laminate and the multi‐directional composite laminate subjected to impact loading ,and compare their impact resistance .Meanwhile ,we analyze the damage on upper and lower surface of the multi‐directional composite laminate subjected t o impact loadings with various velocities .The results reveal the failure mechanism of composite laminate in the impacting process from low‐velocity collision to high‐velocity penetration .【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2016(033)006【总页数】6页(P840-845)【关键词】近场动力学;PD率效应本构模型;复合材料层合板;冲击速度;损伤【作者】孙朝阳;黄再兴【作者单位】南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京210016;南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京210016【正文语种】中文【中图分类】TP273;O313复合材料在比强度、比刚度和疲劳强度方面具有显著优势，因而在现代飞行器结构中得到广泛应用。
标题：深度探讨碳纤维复合材料的冲击性能及ASTM标准分析引言：碳纤维复合材料是一种广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域的先进材料，其具有高强度、低密度、耐腐蚀等优异性能。
在实际应用中，碳纤维复合材料的冲击性能对其安全可靠的使用至关重要。
ASTM国际标准作为全球公认的材料测试标准，对碳纤维复合材料的冲击性能测试提供了指导和规范。
本文将从深度和广度两个角度全面评估碳纤维复合材料的冲击性能及ASTM标准，旨在帮助读者更全面、深入地了解碳纤维复合材料在冲击条件下的表现及相关标准要求。
一、碳纤维复合材料的基本结构及性能特点碳纤维复合材料由碳纤维和树脂基体构成，其具有高强度、高模量、耐腐蚀、抗疲劳等特点。
在实际工程中，碳纤维复合材料的冲击性能直接关系到其在受外力作用下的表现和使用安全性。
1. 碳纤维复合材料的冲击性能碳纤维复合材料在受冲击载荷作用下会发生破损、开裂，甚至可能导致结构失效。
对其冲击性能的评估至关重要。
ASTM D7136标准对碳纤维增强复合材料冲击性能进行了规定，涵盖了冲击强度、损伤面积、破坏模式等参数的测试要求，能够全面揭示碳纤维复合材料在冲击条件下的性能特点。
2. ASTMD7136标准概述ASTM D7136标准是针对纤维增强复合材料冲击性能测试的标准，通过对冲击试样的遭受冲击加载后的力学性能进行测试和分析，以评估材料的抗冲击性能。
标准规定了试验样品的制备、试验设备、测试方法、试验过程中的数据记录和结果报告等方面的要求，为相关领域提供了具有实用价值的技术规范。
二、碳纤维复合材料冲击性能的深入分析碳纤维复合材料的冲击性能与其微观结构、纤维类型、树脂基体性能等有着密切的联系。
在实际的应用过程中，需要更深入地了解其在不同冲击条件下的性能表现，以便合理评估其可靠性。
1. 纤维类型对冲击性能的影响不同类型的碳纤维在复合材料中具有不同的增强效果，因此其冲击性能也会有所差异。
研究表明，炭化纤维具有较好的耐冲击性能，能够有效地抵抗外部冲击载荷的作用，减轻复合材料的损伤程度。
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：1.具有较高的比强度和比刚度2.具有良好的抗疲劳性能3.具有良好的减振性能4.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、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10mm 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（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。
纤维断裂破坏模式通常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。
（3）基于损伤力学的预测模型（未得到广泛应用）（4）基于粘接域（Cohesive zone）理论的预测模型近年来，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，考虑了复合材料基体与剪切方向的非弹性应变，推导了该本构模型的状态方程；基于各向异性塑性力学理论，建立了考虑损伤耦合情况下非弹性应变的硬化方程；基于损伤力学理论建立了各损伤变量的损伤演化方程。
通过标准的复合材料力学试验，建立了一具体织物型玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的损伤本构模型，验证了所建立模型的正确性，并为该复合材料层合结构冲击作用下损伤预测分析提供了材料参数。
复合材料的无损检测技术：。
