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(jià)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí),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(shí)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(shí),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(jià)。
    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(shí),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(shí)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(shí)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(shí),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(gè)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(shí)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。