免费论文：复合材料层合板抗损伤性能及其评价方法研究

复合材料层合板的层间性能远低于层内性能，在较小的冲击载荷下就会造成内部损伤。低速冲击性能已成为限制复合材料进一步扩大应用的主要因素之一。由于低速冲击的瞬时性和影响因素众多，以前的实验研究主要关注损伤的最终结果，难以把握和理解确切真实的损伤过程，无论低速冲击损伤机理，还是试验评价方法，都与实际工程设计和应用要求存在着很大距离。本文采用落锤冲击和准静态压痕实验方法，考察了目前航空领域常用的十余种复合材料层合板的抗损伤性能。发现在凹坑深度与单位厚度冲击能量关系曲线和冲击后压缩破坏应变与凹坑深度关系曲线上均存在拐点，深入分析了其物理意义，提出用最大接触力作为损伤阻抗参量、用含损伤压缩破坏应变门槛值（CAIT）作为损伤容限参量的抗损伤性能评价方法，并对该评价方法的影响因素进行了系统考察，为该方法的规范化及工程应用奠定了良好的基础。首先考察了凹坑深度、损伤宽度及损伤面积这三种损伤参数与单位厚度冲击能量的关系，实验发现，三种损伤参数随单位厚度冲击能量增大近似线性增大，达到一定程度之后，凹坑深度随单位厚度冲击能量增大而急剧增大，而损伤宽度与损伤面积趋于稳定。凹坑深度能够显示出抗损伤性能的突变，并且测量方便，数据分散性较小，建议采用凹坑深度作为描述损伤状态的损伤参数。系统研究了多种复合材料体系的凹坑深度与单位厚度冲击能量的关系和冲击后压缩破坏应变与凹坑深度的关系，发现在这两类曲线上均存在拐点，进而深入分析了拐点前后损伤模式的变化。实验表明，准静态压痕和落锤冲击损伤过程相似，也存在相应拐点，实验验证了这两种方法的等效性。提出用最大接触力作为损伤阻抗参量、用含损伤压缩破坏应变门槛值（CAIT）作为损伤容限参量的评价方法。运用该方法考察了多种复合材料的抗损伤性能，其损伤阻抗和损伤容限的变化趋势与CAI的变化趋势有所不同。从而，引出了一个值得深入研究的问题。研究了材料组分及结构对损伤阻抗的影响，发现树脂基体的强度越高、韧性越好，复合材料最大接触力也越大；复合材料采用的增强纤维强度和模量相差较大时，增强纤维性能与最大接触力之间存在正比关系；损伤阻抗不仅与树脂基体和纤维性能有关，还受到二者匹配性和界面性能的影响。最大接触力随纤维体积含量增加而增大，但其增长幅度有限。相邻铺层方向夹角减小，最大接触力增大。考察了测试条件（损伤引入方式、冲击头尺寸、试样尺寸、加载方式、加载速率、松弛时间、铺层方式及铺层比例等）对损伤阻抗表征参数和损伤容限表征参数的影响，为该评价方法测试条件的选择提供了实验依据。研究工作从损伤阻抗和损伤容限性能角度提出了新的抗损伤性能评价方法，为该方法的规范化及其工程应用奠定了良好的基础。从而为复合材料设计和研制提供了新思路。

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