含缺陷复合材料层压板的压缩破坏机理.pdf

第 卷 第 期 航 空 学 报含 缺 陷 复 合 材 料 层 压 板 的 压 缩 破 坏 机 理飞 机 强 度 研 究 所 沈 真 、 陈 普 会 、 刘 俊 石 、 史 庆 起夕, ,摘 要 本 文 综 述 了 含 缺 陷 包 括 孔 及 冲 击 损 伤 复 合 材 料 层 压 板 在 压 缩 载 荷 作 用 下 的 破 坏机 理 及 破 坏 模 式 , 特 别 是 对 层 压 板 构 成 最 大 威 胁 的 低 能 量 冲 击 损 伤 机 理 及 压 缩 破 坏 模 式 作 了比 较 深 人 的 论 述 , 总 结 出 了 四 种 破 坏 模 式 , 并 从 分 层 断 裂 力 学 的 观 点 出 发 给 出 了 解 决 含 低 能量 冲 击 损 伤 层 压 板 的 压 缩 剩 余 强 度 估 算 的 途 径 关 键 词 复 合 材 料 层 压 板 , 压 缩 机 理 , 实 验 研 究 ‘,一, ,直, , ,一 、 引 言为 了 建 立 适 用 于 复 合 材 料 的 破 坏 判 据 , 首 先 必 须 通 过 试 验 研 究 深 人 了 解 其 损 伤 破 坏 机理 , 从 而 得 到 正 确 的 简 化 分 析 模 型 。

迄 今 为 止 国 外 已 对 此 进 行 了 广 泛 的 试 验 研 究 , 并 发 表了 大 量 文 献 〔 ’ 〕 , 而 使 用 经 验 和 试 验 结 果 表 明 , 各 种 缺 陷 , 特 别 是 低 能 量 冲 击 损 伤 对 受 压层 压 板 构 成 最 大 的 威 胁 因 此 , 含 缺 陷 层 压 板 在 压 缩 载 荷 下 的 破 坏 判 据 是 当 前 复 合 材 料 力学 的 重 点 研 究 内 容 之 一 本 文 概 述 了 近 年 来 作 者 在 这 方 面 的 部 分 研 究 成 果 , 并 综 述 了 有 关文 献 的 内 容 二 、 含 穿 透 缺 陷 层 压 板 的 压 缩 破 坏 机 理文 献 〔 和 文 献 〔 〕 中 用 含 孔 〔 土 〕 , 的 碳 环 氧 层 压 板 进 行 了 压 缩 破坏 试 验 , 发 现 当 加 载 到 破 坏 载 荷 的 左 右 时 , 孔 边 高 应 变 区 出 现 纤 维 的 微 屈 曲 , 并 指出 最 后 破 坏 时 的 纤 维 剪 切 皱 折 如 图 所 示 即 是 由 它 引 起 的 同 时 用 影 象 云 纹 监 控 试 件年 城 月 日 收 到 , 蚂 年 月 日 收 到 修 改 稿航 空 学 报 第 卷表 面 时 发 现 , 当 加 载 至 破 坏 载 荷 的 时 观 察 到 孔 边 出 现 分 层 损 伤 。

随 着 载 荷 增加 , 这 一 分 层 损 伤 沿 横 向 迅 速 扩 展 , 直 至 整 个 宽 度 由 于 分 层 出 现 在 纤 维 微 屈 曲 之 后 , 可以 认 为 分 层 是 由 纤 维 微 屈 曲 导 致 的 , 因 此 , 其 破 坏 本 质 应 是 纤 维 微 屈 曲 引 起 的 纤 维 剪 切 皱折 文 献 〔 〕 总 结 了 前 人 的 研 究 成 果 , 并 对 最 后 破 坏 过 程 进 行 深 人 细 致 的 研 究 , 更 详 细和 更 准 确 地 描 述 了 破 坏 过 程 和 破 坏 本 质 文 中 指 出 这 种 压 缩 破 坏 可 分 为 两 个 阶 段 , 即 孔 边损 伤 区 的 形 成 阶 段 和 突 然 破 坏 阶 段 并 指 出 这 种 压 缩 破 坏 常 常 是 孔 边 损 伤 随 载 荷 增 加 而 扩展 的 结 果 , 它 类 似 于 金 属 中 的 拉 伸 疲 劳 裂 纹 , 起 始 于 孔 边 高 应 变 区 域 , 并 在 此 区 域 形 成 所谓 的 损 伤 区 , 这 种 损 伤 实 际 上 是 孔 边 高 应 变 区 域 纤 维 主 要 指 纤 维 的 微 屈 曲 破 坏 或 剪 切皱 折 破 坏 。

当 孔 边 损 伤 沿 横 向 扩 展 到 某 一 临 界 尺 寸 时 , 就 会 出 现 失 稳 扩 展 , 损 伤 沿 横 向 扩展 至 整 个 宽 度 , 几 乎 同 时 层 压 板 最 终 发 生 破 坏 — 顶 端 散 开 和 或 分 层 严 格 说 来 , 整 个过 程 是 在 极 短 的 时 间 内 完 成 的 , 也 即 一 旦 孔 边 产 生 局 部 纤 维 剪 切 皱 折 或 微 屈 曲 破 坏 , 就 立即 出 现 最 后 破 坏 文 中 总 结 出 了 三 种 纤 维 破 坏 形 式 对 称 微 屈 曲 非 对 称 微 屈 曲剪 切 皱 折 , 如 图 所 示 实 际 上 这 三 种 纤 维 破 坏 形 式 都 是 由 于 纤 维 承 载 失 稳 引 起 的 , 而 究竟 出 现 纤 维 剪 切 皱 折 还 是 纤 维 微 屈 曲 破 坏 主 要 取 决 于 纤 维 周 围 的 侧 向 支 持 情 况 包 括 基 体及 周围 纤 维 若 缺 少 强 有 力 的 侧 向 支 持 , 则 纤 维 以微 屈 曲 的 方 式 破 坏 如 靠 近 孔 边 附 近 自 由 表 面 的纤 维 发 生 面 外 或 面 内 微 屈 曲 破 坏 , 若 纤 维 的 侧向 支 持 足 够 强 如 基 体 的 刚 度 足 够 大 , 则 纤 维 的微 屈 曲 会 受 到 抑 制 , 从 而 出 现 纤 维 剪 切 皱 折 破坏 。

显 然 , 越 靠 近 层 压 板 内 部 , 越 容 易 出 现 纤 维剪 切 皱 折 , 且 这 种 破 坏 主 要 发 生 在 面 内 研 究 还指 出 , 纤 维 微 屈 曲 和 剪 切 皱 折 的 同 时 伴 随 有 局 部分 层 以 适 应 局 部 出 现 的 层 间 高 的 剪 应 变 , 而 且 这一 部 分 分 层 在 层 压 板 破 坏 之 前 没 有 明 显 的 扩 展即 成 为 宏 观 分 层 山 如 庵 板 压 缩 试 件 私 协 浦 几 粉 ,的 平 脚 仿“ ,才 称 才 畅 曲 ‘ 〕 减 讨 称 ,暇 肩 曲 首 刀 侧 咋图 含 孔 厚 板 压 缩 试 件 最 后 破 坏 前 观 察 到 的 纤 维 损 伤对 称 微 屈 曲 非 对 称 微 屈 曲 剪 切 皱 折对 于 以 这 种 压 缩 破 坏 为 特 征 的 含 孔 厚 板 的 剩 余 强 度 , 一 般 都 不 能 用 静 截 面 破 坏 判 据 ,试 验 证 实 了 可 用 平 均 应 力 判 据 或 点 应 力 判 据 来 估 算 〔 ’ , “ 〕 飞 机 翼 面 结 构 通 常 不 允 许 失稳 , 因 此 , 对 一 般 含 不 连 续 处 的 蒙 皮 , 均 可 用 这 种 方 法 来 估 算 其 剩 余 强 度 。

三 、 含 冲 击 损 伤 层 压 板 的 压 缩 破 坏 机 理 〔 一 ‘ 〕, 冲 击 损 伤 机 理冲 击 损 伤 外 观 形 貌 当 用 具 有 不 同 冲 击 能 量 的 冲 击 物 对 层 压 板 进 行 冲 击 后 可 以发 现 , 随 着 冲 击 能 量 的 增 加 , 所 引 起 层 压 板 的 外 部 形 貌 也 在 变 化 按 冲 击 能 量 从 小 到 大 的变 化 , 损 伤 的 外 部 形 貌 大 致 可 分 为 下 列 几 种 状 态当 能 量 小 于 某 一 门 槛 值 时 , 外 来 物 冲 击 不 会 造 成 任 何 损 伤 第 期 沈 真 等 含 缺 陷 复 合 材 料 层 压 板 的 压 缩 破 坏 机 理前 表 面 目 视 不 可 检 损 伤 状 态 当 能 量 超 过 上 述 的 门 槛 值 后 , 虽 然 层 压 板 两 表 面均 观 察 不 到 任 何 损 伤 , 但 射 线 的 检 查 结 果 表 明 , 已 产 生 了 内 部 分 层 能 量 继 续 增 加 , 虽然 冲 击 面 仍 然 观 察 不 到 损 伤 , 但 背 面 可 以 观 察 到 平 行 于 表 面 纤 维 方 向 的 基 体 裂 纹 , 而 射线 检 测 表 明 · 已 有 较 大 面 积 的 内 部 分 层 。

由 于 这 种 损 伤 表 面 目 视 不 可 检 , 在 日 常 的 维 护 中 无法 发 现 , 但 由 于 内 部 已 产 生 了 大 面 积 分 层 , 其 承 载 能 力 特 别 是 压 缩 承 载 能 力 会 大 大 降低 , 从 而 对 结 构 造 成 极 大 的 威 胁 , 这 也 正 是 要 对 此 深 入 研 究 的 原 因 前 表 面 目 视 可 检 损 伤 状 态 能 量 进 一 步 增 加 后 , 在 冲 击 表 面 会 产 生 目 视 可 检 的损 伤 , 除 了 冲 击 物 与 层 压 板 的 接 触 表 面 会 出 现 一 定 深 度 的 凹 坑 外 , 有 时 还 可 观 察 到 沿 接 触面 两 侧 平 行 于 表 面 纤 维 方 向 的 基 体 裂 纹 , 它 主 要 与 基 体 材 料 的 韧 性 、 纤 维 的 断 裂 应 变 及 层板 厚 度 等 有 关 , 这 时 背 面 的 基 体 裂 纹 往 往 非 常 严 重 , 范 围 很 大 , 而 内 部 分 层 则 更 为 严 重 ,其 面 积 远 比 表 面 损 伤 大 随 着 能 量 增 加 , 在 两 表 面 的 损 伤 区 内 还 可 见 到 纤 维 断 裂 , 一 般 背面 的 纤 维 断 裂 出 现 得 更 早 , 范 围 也 更 大 。

这 种 损 伤 前 表 面 多 数 呈 工 字 形 , 中 间 是 纤 维 断 裂部 分 , 垂 直 于 表 面 纤 维 方 向 继 续 增 加 能 量 , 纤 维 的 断 裂 范 围 在 这 一 间 距 内 逐 步 增 加 , 而当 间 距 与 弹 丸 直 径 大 致 相 当 后 , 就 只 向 内 部 发 展 , 一 般 不 会 越 出 这 一 区 间 , 内 部 分 层 面 积在 这 一 过 程 中 逐 渐 达 到 最 大 值 , 这 种 情 形 对 厚 板 更 为 严 重 穿 透 损 伤 状 态 当 能 量 达 到 一 定 值 时 , 其 损 伤 状 态 也 由 表 面 凹 坑 和 接 触 区 的 纤维 断 裂 而 变 成 穿 透 状 态 由 于 能 量 大 , 冲 击 速 度 非 常 快 , 远 远 超 过 介 质 的 弹 性 波 速 此 时介 质 相 对 地 表 现 为 刚 体 , 这 种 冲 击 波 就 来 不 及 在 介 质 中 充 分 传 播 , 而 由 垂 直 于 板 面 方 向的 横 向 剪 切 导 致 穿 透 损 伤 因 为 这 种 情 况 下 的 应 力 波 几 乎 没 有 在 介 质 中 传 播 , 所 以 不 可 能在 层 压 板 中 引 起 大 面 积 的 分 层 , 因 此 , 此 时 的 损 伤 面 积 反 而 小 于 前 一 种 损 伤 状 态 。

冲 击 能 量 与 损 伤 的 对 应 关 系在 达 到 穿 透 损 伤 状 态 之 前 , 不 同 能 量 的 冲 击 产 生 的 损 伤 面 积 不 同 , 但 具 有 相 似 的形 状 , 当 然 具 体 形 状 取 决 于 材 料 和 铺 层 方 式 冲 击 能 量 与 损 伤 区 的 损 伤 程 度 每 一 层 间 损 伤 区 的 形 状 , 方 向 和 面 积 具 有 一 一 对应 关 系 在 达 到 穿 透 损 伤 状 态 以 前 , 冲 击 损 伤 的 面 积 与 冲 击 能 量 基 本 上 呈 线 性 关 系 层 间 分 层 的 形 状 特 征 图 、 图 用 揭 层 技 。