曹勇，張超

1. 太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 應(yīng)用力學(xué)研究所，太原 030024 . 材料強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)沖擊山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024 3. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072 4. 西北工業(yè)大學(xué) 民航學(xué)院，太倉(cāng) 215400 5. 陜西省沖擊動(dòng)力學(xué)及工程應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072

連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料作為一類(lèi)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，具有比強(qiáng)度、比剛度高等優(yōu)異性能，在航空、航天、汽車(chē)、造船、體育等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在航空工業(yè)中，復(fù)合材料的應(yīng)用可使結(jié)構(gòu)減重高達(dá)30%，大、中型民用客機(jī)已實(shí)現(xiàn)了其在尾翼級(jí)主承力部件的批量應(yīng)用，并在B787、A350和A400M等型號(hào)中將其應(yīng)用到機(jī)翼盒段等主承力結(jié)構(gòu)中。盡管復(fù)合材料的應(yīng)用持續(xù)增加，但其易分層和易產(chǎn)生微裂紋的缺點(diǎn)限制了應(yīng)用范圍，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。為提高纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用潛力，研究人員們?cè)诓桓淖儾牧象w系的情況下，努力探索改善力學(xué)性能的新工藝和新方法。

21世紀(jì)初興起的纖維束展寬減薄工藝(Spread-Tow Thin-Ply Technology，如圖1(a)所示)就屬于工藝上的一大突破。纖維展寬減薄工藝一般是針對(duì)大絲束纖維束的，通過(guò)展寬工藝使絲束厚度從傳統(tǒng)的0.125～0.250 mm降至0.02～0.10 mm (絲束寬度一般會(huì)增加到7 mm以上)，進(jìn)而大幅提升厚度方向的鋪層數(shù)量，提高復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性和各方向的受力均衡性；同時(shí)，采用纖維束展寬減薄工藝還可降低復(fù)合材料成形過(guò)程中出現(xiàn)纖維屈曲及鋪層角度錯(cuò)位的可能性(如圖1(b)所示，進(jìn)一步改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能)。由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)，此類(lèi)扁平絲束的增強(qiáng)體復(fù)合材料在諸多新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中得到了應(yīng)用，如火星探測(cè)用直升機(jī)旋翼、輕型飛機(jī)的機(jī)翼等。

圖1 纖維束展寬示意及相應(yīng)機(jī)織物對(duì)比[3]Fig.1 Schematic of fiber bundle spread-tow and corresponding woven fabric[3]

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中不可避免地會(huì)受到各類(lèi)沖擊載荷作用，包括工具墜落、維護(hù)工具設(shè)備碰撞等低速?zèng)_擊載荷以及離散源撞擊飛行器、裝甲防護(hù)等高速?zèng)_擊場(chǎng)景。然而，復(fù)合材料的各向異性特征和層間性能差異性導(dǎo)致其易發(fā)生分層損傷，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的承載能力?？紤]到低速?zèng)_擊中損傷的目視不可見(jiàn)特性及其較高的發(fā)生概率，基于低速?zèng)_擊后的剩余壓縮強(qiáng)度進(jìn)行結(jié)構(gòu)壽命設(shè)計(jì)已成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一，即傳統(tǒng)理解的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)。

薄層復(fù)合材料雖能進(jìn)一步提升復(fù)合材料的設(shè)計(jì)空間，但其沖擊損傷特性尚不明確。絲束減薄對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷行為的影響體現(xiàn)在3個(gè)方面：① 扁平絲束的抗彎能力小于圓形絲束，會(huì)使局部更易發(fā)生變形；② 薄層復(fù)合材料中的就位效應(yīng)有利于增強(qiáng)復(fù)合材料抵抗分層的能力，但可能會(huì)導(dǎo)致更顯著的應(yīng)力集中效應(yīng)；③ 層間界面數(shù)量增加使復(fù)合材料存在分層數(shù)量上的風(fēng)險(xiǎn)，但也相當(dāng)于各層增加了更多的柔性約束，使復(fù)合材料層合板在整體厚度方向更易變形協(xié)調(diào)。具體的失效行為特征、絲束厚度的影響閾值及其內(nèi)在的機(jī)制有待開(kāi)展系統(tǒng)的理論、試驗(yàn)和仿真分析研究。

針對(duì)薄層復(fù)合材料的力學(xué)性能特性，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)已開(kāi)展了一定的研究，包括英國(guó)布里斯托大學(xué)、空客(Airbus)資助的葡萄牙波爾圖大學(xué)、美國(guó)戴頓大學(xué)和瑞典查爾姆斯理工大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中南大學(xué)、東華大學(xué)及國(guó)防科技大學(xué)等。研究人員指出了薄層復(fù)合材料具有減緩基體開(kāi)裂、抗自由邊分層、就位效應(yīng)及特殊的延展性等力學(xué)特性，相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)和討論可參考Galos和Arteiro等撰寫(xiě)的綜述論文。

針對(duì)薄層復(fù)合材料的沖擊損傷行為已有一定的文獻(xiàn)報(bào)道。然而與準(zhǔn)靜態(tài)拉壓力學(xué)性能相比，薄層復(fù)合材料的沖擊損傷行為更為復(fù)雜，導(dǎo)致絲束減薄對(duì)抗沖擊性能的影響規(guī)律不明確。因此本文針對(duì)薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，梳理現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)薄層復(fù)合材料沖擊失效模式、損傷分布規(guī)律等行為的認(rèn)識(shí)，總結(jié)薄層復(fù)合材料抗沖擊設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，為深入理解薄層復(fù)合材料損傷機(jī)制和確定可靠的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供參考。

1 薄層復(fù)合材料的分類(lèi)

展寬減薄絲束采用不同的工藝可制成薄層單向帶復(fù)合材料(UD-Tap Composites)、薄層經(jīng)編多軸向復(fù)合材料(Thin-Ply Non-Crimp Fabric Composite，NCF Composites)和展寬機(jī)織復(fù)合材料(Spread-Tow Woven Composites)，統(tǒng)稱(chēng)為薄層復(fù)合材料。后兩者屬于紡織物復(fù)合材料類(lèi)別，其織物特征如圖2所示。采用紡織物增強(qiáng)體可降低復(fù)合材料的鋪放成本，改善厚度方向性能。

圖2 典型薄層紡織物結(jié)構(gòu)Fig.2 Fabric structure of typical thin layer textile

薄層單向帶復(fù)合材料與傳統(tǒng)單向帶復(fù)合材料形式類(lèi)似，只是單層厚度顯著降低。減薄的絲束可根據(jù)工程需求鋪設(shè)為多向復(fù)合材料層合板。由于在厚度方向可鋪設(shè)層數(shù)更多，進(jìn)而可充分地發(fā)揮復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性。經(jīng)編多軸向(NCF)織物也稱(chēng)為非/無(wú)屈曲織物，其本質(zhì)上為一種針織物，其將多個(gè)單一方向的纖維束沿厚度方向針織在一起，使用時(shí)直接整體鋪放。NCF織物根據(jù)制造工藝可分為間隔型和連續(xù)型，薄層NCF復(fù)合材料因其展寬結(jié)構(gòu)主要為連續(xù)型NCF復(fù)合材料。由于NCF紡織工藝對(duì)增強(qiáng)體力學(xué)性能的影響較小且使用成本低，歐洲FALCOM項(xiàng)目(Failure, Performance and Processing Prediction for Enhanced Design with Non-Crimp Composite)、未來(lái)復(fù)合材料研究中心的核心項(xiàng)目“Design Simulation Tools and Process Improvements for NCF Preforming”等研發(fā)計(jì)劃在NCF復(fù)合材料力學(xué)特征、預(yù)制件的設(shè)計(jì)模擬和工藝改進(jìn)等方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作。NCF的紡織工藝避免了纖維束纏繞引起的波動(dòng)，因此NCF復(fù)合材料與單向帶復(fù)合材料具有相近的力學(xué)性能特征，本文將二者歸為一類(lèi)進(jìn)行討論。

機(jī)織物增強(qiáng)體工藝成熟、織物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是目前工藝成本較低的紡織物。通過(guò)對(duì)機(jī)織物的絲束進(jìn)行展寬減薄形成展寬機(jī)織復(fù)合材料(如圖2(b)所示)可減少機(jī)織纖維束的波動(dòng)和富樹(shù)脂區(qū)，有利于成型過(guò)程中纖維束的浸潤(rùn)，提高纖維體積含量。因減薄后的絲束寬度顯著增加，限制了其在復(fù)雜紡織物形式上的應(yīng)用，因此當(dāng)前市面上的薄層紡織物增強(qiáng)體主要為NCF織物和機(jī)織物這兩類(lèi)材料。

單層厚度減薄是薄層復(fù)合材料最主要的特征，其對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響是目前研究的焦點(diǎn)之一。借鑒復(fù)合材料尺寸效應(yīng)的概念，單層厚度變化對(duì)力學(xué)性能的影響可稱(chēng)為層厚效應(yīng)(Ply thickness Effect或Ply Thickness Scaling Effect)。

2 薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為的試驗(yàn)表征

美國(guó)戴頓大學(xué)研究院和日本福井工業(yè)技術(shù)中心的Sihn等于2006年率先系統(tǒng)地開(kāi)展了薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為的試驗(yàn)研究。隨著薄層復(fù)合材料制備工藝的突破和工業(yè)化生產(chǎn)，自2016年起相關(guān)研究工作迅速增長(zhǎng)。表1總結(jié)了薄層復(fù)合材料低速?zèng)_擊損傷行為試驗(yàn)研究進(jìn)展及其主要研究結(jié)論。準(zhǔn)靜態(tài)壓痕(QSI)作為一種典型的損傷阻抗測(cè)試方法也列入表1中，以更全面地討論分析薄層復(fù)合材料的抗沖擊性能。為表征單層厚度對(duì)復(fù)合材料抗沖擊性能及失效模式的影響，研究人員通常會(huì)選擇兩種以上不同層厚的試樣進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)照組采用相同的環(huán)氧樹(shù)脂基體、成型工藝和整體厚度，或使用多種樹(shù)脂進(jìn)行驗(yàn)證；單層厚度不同會(huì)導(dǎo)致相同整體厚度的試樣具有不同的鋪層數(shù)量，因此在鋪層設(shè)計(jì)方面，一般通過(guò)確保相同的代表性鋪層、使用循環(huán)鋪放的方式制得試樣，如以[45/0/-45/90]的順序進(jìn)行循環(huán)鋪設(shè)。基于此，可保證試驗(yàn)變量的唯一性，排除鋪層和基體類(lèi)型對(duì)失效模式的影響。

從表1的試驗(yàn)研究中可看出無(wú)論是低速?zèng)_擊還是高速?zèng)_擊，薄層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出了不同于傳統(tǒng)復(fù)合材料的力學(xué)行為特征。

表1 薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為試驗(yàn)研究匯總[7，10，22-37]Table 1 Summary of experimental study on impact damage behavior of thin-ply composites[7，10，22-37]

2.1 低速?zèng)_擊失效特征

薄層復(fù)合材料低速?zèng)_擊損傷行為的研究主要包含兩個(gè)方面：① 沖擊損傷行為中的層厚效應(yīng)；② 基于薄絲束的仿生螺旋復(fù)合材料損傷特征。近3年研究人員開(kāi)展了特殊的仿生鋪層單向帶復(fù)合材料、NCF和機(jī)織復(fù)合材料沖擊損傷行為方面的研究工作。

對(duì)于薄層單向帶復(fù)合材料沖擊損傷行為，降低單層厚度會(huì)出現(xiàn)基體微裂紋和分層滯后的現(xiàn)象。Sihn等針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層厚(0.125～0.250 mm)和薄層復(fù)合材料研究了低速?zèng)_擊力學(xué)特征，在未使用特殊樹(shù)脂和層間增韌情況下，薄層復(fù)合材料表現(xiàn)出了微裂紋和分層起始滯后的現(xiàn)象，但兩類(lèi)復(fù)合材料沖擊后分層面積的差別不明顯，這可能與試驗(yàn)采用的沖擊能量有關(guān)。Yokozeki等在低速?zèng)_擊試驗(yàn)中也觀察到薄層復(fù)合材料和標(biāo)準(zhǔn)層厚復(fù)合材料分層面積近似的現(xiàn)象，但形貌有所不同，并推測(cè)薄層復(fù)合材料具有抑制分層增長(zhǎng)的作用；然而試驗(yàn)并沒(méi)有嚴(yán)格表征鋪層厚度對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷阻抗的影響，只選擇一種沖擊能量不足以作為對(duì)照，且只對(duì)最終失效面積進(jìn)行了對(duì)比分析，不能有效反映失效行為的差異性。隨后，Yokozeki等從厚度方向的加載試驗(yàn)中觀察到了薄層單向帶復(fù)合材料和標(biāo)準(zhǔn)層復(fù)合材料明顯不同的損傷累積過(guò)程，后者低速?zèng)_擊損傷過(guò)程是按“基體開(kāi)裂-分層-纖維斷裂”的順序出現(xiàn)的，而前者的背面先出現(xiàn)目視可見(jiàn)的基體開(kāi)裂，接著表層纖維斷裂后才出現(xiàn)大面積基體開(kāi)裂和分層。為觀測(cè)損傷順序，Yokozeki等采用了系列化的加載位移，并檢測(cè)了損傷斷面，這也是試驗(yàn)表征薄層復(fù)合材料損傷機(jī)制的可借鑒方案。Amacher等在標(biāo)準(zhǔn)層厚、薄層和超薄層復(fù)合材料的低速?zèng)_擊試驗(yàn)中觀察到標(biāo)準(zhǔn)層厚復(fù)合材料表現(xiàn)出以分層為主導(dǎo)的失效模式，在外表面沒(méi)有可見(jiàn)的纖維斷裂和基體開(kāi)裂；薄層復(fù)合材料是分層、纖維斷裂混合的失效模式，且分層面積最?。怀訌?fù)合材料為明顯的跨層斷裂；試驗(yàn)中加載能量偏大，沒(méi)有構(gòu)成系列化能量試驗(yàn)矩陣，只能反映單層厚度對(duì)大能量沖擊損傷行為的影響。Saito等針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層厚和超薄層材料開(kāi)展了小能量載荷下的低速?zèng)_擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超薄層復(fù)合材料具有更少的橫向裂紋，盡管分層面積增加了，但分層只集中于對(duì)稱(chēng)層附近。Cugnoni等對(duì)比了多種基體和纖維類(lèi)別的薄層復(fù)合材料單層厚度效應(yīng)特征，指出減小層厚，橫向裂紋減少，分層區(qū)域也減小，但出現(xiàn)了更多的分層界面。Cugnoni等的研究工作實(shí)際上排除了纖維和基體類(lèi)型對(duì)試驗(yàn)結(jié)論的影響，即薄層復(fù)合材料沖擊損傷的單層厚度效應(yīng)類(lèi)似于復(fù)合材料的“自由邊效應(yīng)”，只受幾何因素的影響，是纖維增強(qiáng)疊層類(lèi)復(fù)合材料的一種內(nèi)在特性。García-Rodríguez等系統(tǒng)研究了薄層和標(biāo)準(zhǔn)鋪層復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)、10 J和14 J 3種面外載荷下的層厚效應(yīng)特征，典型形貌結(jié)果如圖3所示；在相同的準(zhǔn)靜態(tài)載荷下(如圖3中I所示)，薄層復(fù)合材料背面表層附近出現(xiàn)了明顯分層、基體開(kāi)裂和纖維斷裂，已達(dá)到目視勉強(qiáng)可見(jiàn)的程度，而標(biāo)準(zhǔn)層厚復(fù)合材料的表層無(wú)明顯損傷，且在內(nèi)部出現(xiàn)了多處基體開(kāi)裂和分層；在10 J的沖擊載荷下(如圖3中II所示)，薄層復(fù)合材料背面表層損傷更為顯著，發(fā)生了基體開(kāi)裂和纖維斷裂；在14 J的沖擊載荷下(如圖3中III所示)，兩類(lèi)板都出現(xiàn)了明顯的背面損傷，薄層復(fù)合材料沿厚度方向的損傷相比傳統(tǒng)復(fù)合材料更多，但傳統(tǒng)復(fù)合材料面內(nèi)分層擴(kuò)展面積更廣。

圖3 低速?zèng)_擊試樣損傷特征μCT截面[32]Fig.3 μCT cross-sections of low speed impacted specimens[32]

García-Rodríguez等的研究表明降低層厚具有一定的減緩基體開(kāi)裂作用，可抑制分層的起始和擴(kuò)展過(guò)程，但纖維會(huì)過(guò)早斷裂。進(jìn)一步，García-Rodríguez等研究了混雜鋪層薄層復(fù)合材料的低速?zèng)_擊損傷行為，發(fā)現(xiàn)在3種低沖擊速度下材料的沖擊損傷行為均與加載速率有一定相關(guān)性，但該研究只在低速?zèng)_擊試驗(yàn)中觀測(cè)到了應(yīng)變率敏感性，其具體的應(yīng)變率敏感性范圍還應(yīng)進(jìn)一步測(cè)定。此外，薄層復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性高的優(yōu)勢(shì)讓仿生鋪層復(fù)合材料的制備成為可能，如仿生螺旋鋪層復(fù)合材料層合板(Bio-Inspired Helicoidal Laminates)，其設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于螳螂蝦的螯。螳螂蝦的鰲中最內(nèi)一層為高度有序旋轉(zhuǎn)的甲殼素纖維分散在礦物質(zhì)中，在擊打獵物過(guò)程中有一定吸能作用。Mencattelli和Pinho采用單層厚度為0.02 mm的單向帶設(shè)計(jì)了仿生螺旋復(fù)合材料(如圖4(a)所示)并研究了其低速?zèng)_擊損傷行為，通過(guò)角度的漸進(jìn)變化減少了相鄰層的鋪設(shè)角的差值Δ，進(jìn)而可減少?gòu)?fù)合材料的分層、改善復(fù)合材料的沖擊承載能力。圖4(b)為仿生螺旋鋪層復(fù)合材料在低速?zèng)_擊載荷下的典型失效特征，可看出在載荷下降后并未出現(xiàn)災(zāi)難性的失效模式，且損傷主要發(fā)生在板的背面。Mencattelli和Pinho還發(fā)現(xiàn)減小Δ可延緩發(fā)生災(zāi)難性載荷的時(shí)刻。Liu等探討了多種鋪層設(shè)計(jì)仿生螺旋復(fù)合材料的QSI力學(xué)特征，并發(fā)現(xiàn)減小加載面復(fù)合材料鋪層的Δ和增大背面的Δ可提高加載的峰值載荷。仿生螺旋鋪層復(fù)合材料盡管擁有一定力學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì)，但因需鋪設(shè)較多的層，對(duì)制造工藝要求較高，這就需要考慮制造缺陷的影響，且在復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的適用性方面還需探討。

圖4 仿生螺旋鋪層復(fù)合材料截面及沖擊失效特征[30]Fig.4 Crosssection of bionic helicoidal laminated composites and impact failure characteristic[30]

從以上關(guān)于薄層單向帶復(fù)合材料的試驗(yàn)研究可知，對(duì)于薄層復(fù)合材料的低速?zèng)_擊損傷行為，鋪層減薄改變了傳統(tǒng)理解的損傷演變過(guò)程，薄層復(fù)合材料出現(xiàn)了一種類(lèi)似柔性約束的復(fù)合材料板損傷特征：損傷傾向于發(fā)生于板的表層背面，并向內(nèi)部擴(kuò)展。薄層復(fù)合材料出現(xiàn)這種柔性板損傷特征的原因可能與界面增多有關(guān)，相當(dāng)于厚度方向增加了更多的柔性約束，使厚度方向變形更為協(xié)調(diào)，內(nèi)部應(yīng)力集中程度低。同時(shí)，降低層厚對(duì)抑制內(nèi)部的分層有益，最終使表層的目視勉強(qiáng)可見(jiàn)沖擊損傷(BVID)更容易出現(xiàn)，這樣相比傳統(tǒng)按損傷容限設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，新出現(xiàn)的失效行為使按沖擊損傷阻抗設(shè)計(jì)成為可能。然而過(guò)多地降低層厚也會(huì)對(duì)承載帶來(lái)負(fù)面影響，如文獻(xiàn)[25-26]觀察到超薄層復(fù)合材料中的跨層斷裂和分層總面積增加現(xiàn)象，具體絲束厚度的影響閾值及其背后的機(jī)制需一系列試驗(yàn)與分析方面的研究工作進(jìn)一步確定。

相比于薄層單向帶類(lèi)復(fù)合材料，薄層機(jī)織復(fù)合材料的幾何構(gòu)型更為復(fù)雜、沖擊失效行為的影響因素更多。Toyota等研究了展寬機(jī)織復(fù)合材料的低速?zèng)_擊試驗(yàn)和損傷特性，發(fā)現(xiàn)采用展寬絲束可改善沖擊阻抗，試件背面分層更為明顯，且低能量下展寬機(jī)織復(fù)合材料的分層區(qū)域面積會(huì)大于傳統(tǒng)機(jī)織復(fù)合材料。Sebaey和Mahdi開(kāi)展了多個(gè)沖擊能量下展寬機(jī)織復(fù)合材料的低速?zèng)_擊試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)展寬機(jī)織復(fù)合材料中分層更分散，使用混合鋪層后纖維斷裂現(xiàn)象有所改善，其研究過(guò)程中采用系列化的能量場(chǎng)，這是試驗(yàn)表征展寬機(jī)織復(fù)合材料損傷特征的必要加載條件，但還應(yīng)進(jìn)一步表征損傷特征，觀測(cè)各試驗(yàn)件斷面的損傷情況，確定損傷的起始過(guò)程。Wagih等通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)絲束厚度為0.08 mm的薄層復(fù)合材料基體開(kāi)裂早于超薄絲束展寬機(jī)織復(fù)合材料，但纖維束斷裂載荷提高。Sasikumar等測(cè)試了薄絲束和超薄絲束展寬機(jī)織和NCF復(fù)合材料，指出降低層厚可延緩分層和基體開(kāi)裂，但纖維斷裂早，分層的面積會(huì)增加，特別是NCF復(fù)合材料的分層面積增加明顯。展寬機(jī)織復(fù)合材料比薄層NCF復(fù)合材料表現(xiàn)出了更好的沖擊阻抗，這與機(jī)織材料典型的纖維束紗線(xiàn)交織特征有關(guān)，采用展寬絲束會(huì)減少纖維束的波動(dòng)頻率，降低了機(jī)織工藝對(duì)力學(xué)性能的不利影響。

由以上關(guān)于展寬機(jī)織復(fù)合材料的研究可知：低層厚機(jī)織復(fù)合材料的纖維束會(huì)出現(xiàn)過(guò)早斷裂的現(xiàn)象，這可能是由于展寬機(jī)織復(fù)合材料的纖維束波動(dòng)在局部變化梯度大，導(dǎo)致的應(yīng)力集中更為嚴(yán)重。此外，關(guān)于絲束減薄對(duì)展寬機(jī)織復(fù)合材料沖擊阻抗的提升作用，現(xiàn)有文獻(xiàn)并未充分討論各類(lèi)損傷的特征、出現(xiàn)的順序、相互之間的關(guān)系及對(duì)分層損傷的影響規(guī)律，仍有待進(jìn)一步的研究。同時(shí)，現(xiàn)有文獻(xiàn)中展寬機(jī)織復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)比較單一，未考慮斜交鋪層?；趥鹘y(tǒng)復(fù)合材料的低速?zèng)_擊研究成果可知，在鋪層設(shè)計(jì)中引入斜交鋪層有助于提升復(fù)合材料的損傷容限，未來(lái)有必要針對(duì)含斜交鋪層的展寬機(jī)織復(fù)合材料開(kāi)展研究，以得到多種鋪層情況下的損傷特征。

2.2 高速?zèng)_擊失效特征

考慮到高速?zèng)_擊載荷的復(fù)雜性及目前工程中主要按低速?zèng)_擊損傷容限準(zhǔn)則設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)薄層復(fù)合材料高速?zèng)_擊損傷行為的研究工作相對(duì)較少。自然界中的螳螂蝦在捕獵時(shí)前螯在水下的加速度與5.58 mm口徑子彈相當(dāng)，對(duì)應(yīng)仿生復(fù)合材料也應(yīng)具備抗高速?zèng)_擊潛力。工程中復(fù)合材料在高速載荷下也出現(xiàn)了大量的應(yīng)用場(chǎng)景，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料機(jī)匣包容問(wèn)題(如圖5所示)、多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的防彈背板和美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在火星探索中使用的無(wú)人直升機(jī)旋翼。這些應(yīng)用場(chǎng)景和結(jié)構(gòu)都十分適合薄層復(fù)合材料——在有限的厚度內(nèi)可以鋪更多的層?；谶@種生物界和工程界中存在的高速?zèng)_擊場(chǎng)景，研究薄層復(fù)合材料在高速?zèng)_擊下的吸能過(guò)程和損傷行為也顯得較有意義。

圖5 航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料機(jī)匣高速?zèng)_擊旋轉(zhuǎn)包容試驗(yàn)[41]Fig.5 High speed impact rotating containment test for aeroengine composite casing[41]

現(xiàn)有文獻(xiàn)中Abir等開(kāi)展了仿生螺旋薄層單向帶復(fù)合材料的高速?zèng)_擊損傷行為研究，發(fā)現(xiàn)高速?zèng)_擊載荷下仿生螺旋復(fù)合材料的損傷也呈現(xiàn)出一種典型的沿厚度方向螺旋上升的演變規(guī)律，并在遠(yuǎn)場(chǎng)出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，而準(zhǔn)靜態(tài)鋪層和正交鋪層復(fù)合材料的損傷較為集中。Liu等指出螺旋鋪層復(fù)合材料的抗沖擊性能對(duì)鋪層結(jié)構(gòu)更為敏感。因此采用薄層設(shè)計(jì)的復(fù)合材料，無(wú)論是在局部破壞還是整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面都有利于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)抗高速?zèng)_擊性能的提升。這可能是因?yàn)楸訌?fù)合材料的多界面效應(yīng)，即沖擊載荷下多層界面對(duì)應(yīng)力波的多次反射和透射作用使拉伸波在層間分層中被吸收，有助于更多地消耗彈體動(dòng)能。除仿生螺旋鋪層外，也可將厚鋪層與薄鋪層結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)為梯度鋪層，或?qū)⒍喾N材質(zhì)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)為混雜鋪層，以進(jìn)一步探索采用展寬減薄絲束提高復(fù)合材料抗高速?zèng)_擊性能的方法。

總而言之，薄層復(fù)合材料在先進(jìn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景，通過(guò)對(duì)薄層復(fù)合材料高速?zèng)_擊損傷行為的研究可總結(jié)出適用于極端環(huán)境下薄層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與方法，為薄層復(fù)合材料的應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展提供基礎(chǔ)。

2.3 層間斷裂韌性

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊后的分層損傷面積是衡量復(fù)合材料沖擊損傷阻抗的直接指標(biāo)，復(fù)合材料層間斷裂韌性則是分析層間裂紋起始和擴(kuò)展的主要性能參數(shù)。對(duì)于薄層單向帶類(lèi)復(fù)合材料，Sihn和Yokozeki等認(rèn)為絲束減薄對(duì)沖擊后的分層損傷面積沒(méi)有顯著影響，而Amacher和Saito等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)層厚減小至0.04 mm時(shí)沖擊分層損傷面積會(huì)增加。Cugnoni等認(rèn)為層厚減薄至0.1 mm時(shí)才會(huì)明顯地抑制復(fù)合材料分層。對(duì)于展寬機(jī)織復(fù)合材料的層間性能，低速?zèng)_擊的測(cè)試結(jié)果和QSI的測(cè)試結(jié)果存在差別：Wagih等的QSI結(jié)果顯示在纖維斷裂前，薄層復(fù)合材料的分層面積小于標(biāo)準(zhǔn)層厚復(fù)合材料；Sasikumar等在試驗(yàn)中觀察到薄層復(fù)合材料分層面積高于標(biāo)準(zhǔn)層厚復(fù)合材料的現(xiàn)象，早期Toyota等在低能量沖擊載荷下也觀測(cè)到類(lèi)似的情況。這些現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)薄層復(fù)合材料沖擊分層中的層厚效應(yīng)沒(méi)有一致的認(rèn)識(shí)，且研究均只觀察了沖擊分層的現(xiàn)象，并未從細(xì)節(jié)上觀測(cè)出層間裂紋的起始與演化規(guī)律。因此揭示試驗(yàn)中不同分層現(xiàn)象的機(jī)制，了解絲束厚度對(duì)薄層復(fù)合材料層間和層內(nèi)斷裂韌性的影響十分必要。

通常，復(fù)合材料基體韌性、鋪層方向和紡織方式都會(huì)影響復(fù)合材料層間斷裂性能，相比傳統(tǒng)復(fù)合材料，絲束厚度減薄又構(gòu)成了影響層間斷裂性能的一個(gè)因素。因材料的斷裂韌性本身就是一個(gè)與板材厚度有關(guān)的參數(shù)，當(dāng)疊層材料局部厚度變化時(shí)，材料的斷裂韌性必然存在差別。這方面研究也引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，F(xiàn)urtado等指出復(fù)合材料層厚變化對(duì)層內(nèi)斷裂韌性具有影響，只是對(duì)其中的機(jī)制存有異議。一種觀點(diǎn)認(rèn)為層厚變化使纖維拔出失效的難易程度發(fā)生改變，從而改變了斷裂韌性；另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為層厚變化改變了纖維-基體開(kāi)裂等非關(guān)鍵失效的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，導(dǎo)致層內(nèi)斷裂的差異性。Furtado等傾向于第2種觀點(diǎn)，即層厚變化引起非關(guān)鍵破壞模式(Subcritical Damage)的變化，缺口處裂紋重新分布進(jìn)而影響層內(nèi)斷裂韌性。對(duì)于可表征分層行為的層間斷裂韌性，研究人員針對(duì)單向帶復(fù)合材料開(kāi)展了層厚變化的影響因素研究。Frossard等選取3種單層厚度分別為0.030、0.075、0.150 mm的單向帶復(fù)合材料，探討了層厚對(duì)復(fù)合材料層間I型斷裂韌性的影響，其數(shù)值和試驗(yàn)結(jié)果表明層間裂紋的起始受單層厚度的影響不明顯，但單層厚度越薄，斷裂應(yīng)變能釋放率越低，且纖維橋接的現(xiàn)象也越少。事實(shí)上，文獻(xiàn)[46]未得出厚鋪層復(fù)合材料的穩(wěn)定臨界能量釋放率，這與I型開(kāi)裂中存在大量的纖維橋接現(xiàn)象有關(guān)，其制備的厚鋪層復(fù)合材料中出現(xiàn)了大量的纖維和樹(shù)脂聚集區(qū)，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展不穩(wěn)定。Frossard等又針對(duì)薄層復(fù)合材料的層間和層內(nèi)纖維橋接開(kāi)展了研究，并指出薄層復(fù)合材料層間斷裂纖維橋接密度低的現(xiàn)象。薄層復(fù)合材料采用的為展寬減薄纖維束，有利于基體和纖維的均勻分布，為層間裂紋擴(kuò)展形成了連續(xù)界面路徑，減少了穿越分層平面的纖維橋接現(xiàn)象。國(guó)防科技大學(xué)江大志團(tuán)隊(duì)針對(duì)單向帶復(fù)合材料設(shè)計(jì)了單層厚度分別為0.020、0.055、0.125、0.200 mm 的4種試件，開(kāi)展了短梁剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單向帶復(fù)合材料的層厚越薄，層間剪切強(qiáng)度越高。此外機(jī)織結(jié)構(gòu)本身也會(huì)對(duì)材料的層間斷裂韌性造成影響，機(jī)織纖維束的交織變化可能導(dǎo)致其復(fù)合材料層間裂紋擴(kuò)展的不協(xié)調(diào)。美國(guó)緬因大學(xué)、上海交通大學(xué)、突尼斯斯法克斯大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)和東華大學(xué)的研究人員已針對(duì)機(jī)織復(fù)合材料的層間斷裂韌性開(kāi)展了一系列測(cè)試和分析工作，指出機(jī)織復(fù)合材料的層間斷裂韌性測(cè)試結(jié)果比單向帶復(fù)合材料分散性更大，但對(duì)于展寬機(jī)織復(fù)合材料層間斷裂韌性方面的研究在已公開(kāi)文獻(xiàn)中鮮見(jiàn)報(bào)道。

現(xiàn)有文獻(xiàn)在低速?zèng)_擊試驗(yàn)中就已觀察到加載速率對(duì)復(fù)合材料分層的影響。國(guó)外You和Yum、Sun和Han及中國(guó)的李玉龍團(tuán)隊(duì)針對(duì)單向帶復(fù)合材料層間動(dòng)態(tài)斷裂行為的研究表明加載速率超過(guò)某個(gè)閾值后，隨加載速率增加，界面層間斷裂韌性也會(huì)增加。Smiley和Pipes的研究表明隨加載速率增加，層間斷裂韌性出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象。盡管現(xiàn)有文獻(xiàn)在動(dòng)態(tài)加載方面的認(rèn)識(shí)存在差別，但都認(rèn)可加載速率會(huì)對(duì)層間斷裂韌性造成影響。對(duì)于薄層復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)層間斷裂韌性測(cè)試，鮮有文獻(xiàn)在此方面開(kāi)展研究，這主要是受制于動(dòng)態(tài)層間斷裂測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的缺乏和紡織類(lèi)薄層復(fù)合材料層間裂紋擴(kuò)展不穩(wěn)定。裂紋沿界面擴(kuò)展的難易程度會(huì)很大程度上影響復(fù)合材料的機(jī)械性能，通常復(fù)合材料各鋪層之間是一種弱界面的結(jié)合方式，在沖擊載荷下會(huì)不可避免地發(fā)生分層問(wèn)題。復(fù)合材料的層間斷裂又與加載速率、絲束厚度及紡織工藝有一定相關(guān)性，在開(kāi)展沖擊損傷行為研究時(shí)，可進(jìn)一步開(kāi)展薄層復(fù)合材料層間特性方面的研究工作，以加深對(duì)沖擊分層的認(rèn)識(shí)，并為分析模型提供必要的輸入?yún)?shù)。

復(fù)合材料損傷起始多發(fā)生在材料內(nèi)部，且沖擊過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的瞬態(tài)過(guò)程，如要通過(guò)試驗(yàn)手段表征薄層復(fù)合材料沖擊失效的起始及演化過(guò)程，研究人員需安排系列化的沖擊能量、多種鋪層順序及厚度，并排除纖維和基體類(lèi)型對(duì)失效規(guī)律的影響?，F(xiàn)有試驗(yàn)研究主要借助C掃描確定沖擊后失效的面積，通過(guò)觀察斷面確定典型能量或加載位移下的失效特征。盡管這些研究手段可得出沖擊損傷的起始與演化情況，但不足以揭示薄層復(fù)合材料的沖擊失效規(guī)律，還應(yīng)進(jìn)一步理清薄層復(fù)合材料中纖維斷裂、纖維-基體界面的分離及基體剪切形變的相互競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。

3 薄層復(fù)合材料的沖擊仿真方法

在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展解析或數(shù)值分析有助于深入認(rèn)識(shí)復(fù)合材料在各種復(fù)雜載荷下局部變形、損傷演化和織物幾何特性對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示變形和損傷失效機(jī)制。復(fù)合材料是一個(gè)典型的多尺度結(jié)構(gòu)：在微觀尺度，單根纖維分布于基體構(gòu)成了復(fù)合材料中的纖維束；在細(xì)觀尺度，纖維束以多種織物形式結(jié)合樹(shù)脂基體構(gòu)成了不同類(lèi)型的復(fù)合材料；在宏觀尺度，單層復(fù)合材料以不同的角度堆疊構(gòu)成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)?？紤]到復(fù)合材料的計(jì)算模型較多，重點(diǎn)總結(jié)應(yīng)用于薄層復(fù)合材料沖擊仿真分析的模型，并按多尺度特征介紹薄層復(fù)合材料仿真方法的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外研究薄層復(fù)合材料沖擊仿真方法的文獻(xiàn)如表2所示，總體上現(xiàn)有的沖擊仿真模型主要針對(duì)薄層單向帶復(fù)合材料的低速?zèng)_擊分析，計(jì)算模型主要為宏觀尺度有限元模型，在高速?zèng)_擊仿真中，現(xiàn)有模型少有考慮應(yīng)變率效應(yīng)的。

表2 薄層復(fù)合材料沖擊仿真方法研究的匯總[24-25,27-29,31,57-58]Table 2 Summary of impact analysis methods for thin-ply composites[24-25,27-29,31,57-58]

3.1 宏觀均勻化模型

如果薄層復(fù)合材料中的單層厚度效應(yīng)和力學(xué)性能能夠得到準(zhǔn)確的表征，如厚度參數(shù)對(duì)斷裂韌性、局部力學(xué)特征及損傷演化的影響，那么薄層復(fù)合材料與傳統(tǒng)復(fù)合材料只存在單層幾何尺寸上的差別，這樣傳統(tǒng)復(fù)合材料層合板理論及基于彈性力學(xué)理論的數(shù)值分析方法依然可應(yīng)用到薄層復(fù)合材料分析之中。薄層復(fù)合材料沖擊分析已形成了基于彈簧-質(zhì)量模型的解析方法、基于能量分析的解析模型、基于經(jīng)典層合板理論和彈性力學(xué)理論的數(shù)值模擬方法。解析方法在估算復(fù)合材料靶板的整體響應(yīng)、彈體剩余速度和侵徹深度方面有一定應(yīng)用，Olsson采用彈簧-質(zhì)量模型計(jì)算了薄層單向帶復(fù)合材料在大質(zhì)量沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)，這實(shí)質(zhì)上是一個(gè)沿厚度方向的準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程，此模型考慮彎曲引起的纖維束壓縮失效，預(yù)測(cè)了復(fù)合材料層合板的變形和損傷過(guò)程。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因纖維和基體的剛度不一致問(wèn)題，局部纖維的應(yīng)力場(chǎng)比較復(fù)雜，外力驅(qū)動(dòng)主裂紋擴(kuò)展的方向也具有多樣性。采用數(shù)值模擬手段可便捷地分析這些復(fù)雜載荷或特殊結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裂紋的起始與擴(kuò)展十分重要。相比解析計(jì)算方法，目前采用有限元方法進(jìn)行復(fù)合材料沖擊分析的文獻(xiàn)較多。對(duì)于復(fù)合材料沖擊的有限元分析，典型的模型構(gòu)建策略如圖6所示。

模型可由各個(gè)復(fù)合材料單層和界面構(gòu)成，也就是厚度方向每單層為一層有限單元，每層單元之間引入界面單元，可稱(chēng)為“單層+界面”法(如圖6(a) 所示)。這種方法中單層可離散為實(shí)體單元或厚殼元，界面層在幾何上可以是有限厚度或零厚度。這樣的一個(gè)三維模型構(gòu)建策略可有效表征復(fù)合材料厚度方向?qū)觾?nèi)和層間的力學(xué)行為。基于此策略可對(duì)模型進(jìn)行初步簡(jiǎn)化：部分單層作為整體構(gòu)成子層，有限元模型中子層整體離散為一層有限單元，并在子層之間引入界面，稱(chēng)為“子層+界面”法，如圖6(b)所示。以上兩種方法中可不引入界面單元以進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型。此外厚度方向也可將復(fù)合材料板整體只取一層單元，構(gòu)成整體均勻化法，如圖6(c)所示。

圖6 復(fù)合材料宏觀尺度沖擊仿真有限元模型的典型構(gòu)建策略Fig.6 Typical finite element modeling strategies of a macroscale impact analysis for composites

總體上，“單層+界面”法計(jì)算精度較高，Abir等針對(duì)50層的仿生螺旋鋪層復(fù)合材料使用“單層+界面”法建模，在總厚度為3 mm的板上沿厚度方向布置了50層有限單元，可達(dá)到較高的計(jì)算精度；Liu等也采用了類(lèi)似的方法開(kāi)展了力學(xué)分析?！皢螌?界面”法存在計(jì)算和建模工作量較高的缺點(diǎn)，為減小計(jì)算工作量，Amacher等、Mencattelli和Pinho采用圖6(c)中的整體均勻化法分析了薄層復(fù)合材料的沖擊損傷行為。沖擊問(wèn)題要考慮厚度方向的應(yīng)力狀態(tài)，在厚度方向離散為一個(gè)整體的單元層并不能詳細(xì)地反映沖擊過(guò)程中厚度方向上的分層、變形和應(yīng)力狀態(tài)。這種情況下，“子層+界面”法因既減少了厚度方向上的單元數(shù)量，又可在局部層中引入COHESIVE界面，保障了計(jì)算效率和精度，可在需提高薄層復(fù)合材料沖擊計(jì)算效率的情況下采用。此外，宏觀均勻化模型中復(fù)合材料單層被認(rèn)為是正交各向異性材料，通常采用等效工程常數(shù)表示單層等效的剛度和強(qiáng)度。所不同的是，薄層復(fù)合材料的單層表現(xiàn)出了一定的就位強(qiáng)度效應(yīng)——在實(shí)際的多向復(fù)合材料層合板中單層的橫向強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)增加的現(xiàn)象。這樣在薄層復(fù)合材料沖擊分析模型中，就需要能夠正確表征所用材料的單層剛度和強(qiáng)度。

薄層復(fù)合材料宏觀沖擊分析模型中另外一個(gè)要考慮的問(wèn)題是復(fù)合材料的應(yīng)變率效應(yīng)。文獻(xiàn)[28,31]仿真分析了高速?zèng)_擊載荷下復(fù)合材料的損傷行為，并未考慮材料的應(yīng)變率問(wèn)題。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般認(rèn)為對(duì)應(yīng)變率敏感，特別是樹(shù)脂基體具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性。對(duì)于考慮復(fù)合材料應(yīng)變率效應(yīng)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，目前可從宏觀唯象方法和細(xì)觀力學(xué)方法兩個(gè)角度構(gòu)建考慮復(fù)合材料應(yīng)變率效應(yīng)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。細(xì)觀力學(xué)方法是將纖維和基體作為材料的基本單元，將復(fù)合材料的宏觀性能與組分材料的細(xì)觀性能聯(lián)系在一起，通過(guò)組成材料的應(yīng)力與應(yīng)變場(chǎng)實(shí)現(xiàn)整體宏觀應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的計(jì)算，如對(duì)微觀力學(xué)模型進(jìn)行應(yīng)變率改進(jìn)形成復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。宏觀力學(xué)方法以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合彈塑性理論、連續(xù)損傷力學(xué)描述材料整體的力學(xué)響應(yīng)。基于細(xì)觀力學(xué)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)符合組分材料的力學(xué)特征，物理意義清晰；宏觀方法采用宏觀應(yīng)力、應(yīng)變描述材料變形，形式直觀。兩類(lèi)本構(gòu)模型各有特征，由于復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型還處于逐漸成熟完善的過(guò)程中，在實(shí)際工程研究過(guò)程中，兩種建立復(fù)合材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)的思路應(yīng)根據(jù)計(jì)算需求相互借鑒。

3.2 多尺度模型

復(fù)合材料典型的多尺度沖擊分析流程如圖7所示，可包括微觀力學(xué)模型、細(xì)觀尺度模型和宏觀尺度模型。對(duì)于單向帶類(lèi)復(fù)合材料，可建立纖維在基體中規(guī)律或隨機(jī)分布的微觀力學(xué)模型(如圖7 所示)，開(kāi)展剛度、強(qiáng)度及斷裂方面的力學(xué)性能預(yù)測(cè)。這類(lèi)模型一般包括直徑在微米級(jí)別的纖維絲和包圍纖維的樹(shù)脂。與纖維和樹(shù)脂材料相比，界面可提供較低的能量擴(kuò)展路徑，裂紋通常會(huì)沿纖維和基體的界面擴(kuò)展，為更好地表征纖維和基體之間的相互作用，可在有限元計(jì)算過(guò)程中于二者之間引入界面單元，分析裂紋沿纖維表面擴(kuò)展或靠近纖維基體內(nèi)的擴(kuò)展情況，如Guillén-Hernández等建立了纖維在基體中隨機(jī)分布的二維微觀力學(xué)模型，結(jié)合相場(chǎng)方法分析了薄層單向帶復(fù)合材料的就位強(qiáng)度效應(yīng)，此分析方法可有效預(yù)測(cè)薄層復(fù)合材料中橫向基體延遲開(kāi)裂的現(xiàn)象；從其分析結(jié)果上看，就位效應(yīng)主要體現(xiàn)在基體裂紋的擴(kuò)展速度上，其列出的3種層厚的復(fù)合材料裂紋起始時(shí)刻大致相同，但厚鋪層的復(fù)合材料較快地形成了跨層斷裂。Chen等采用三維微觀力學(xué)模型結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)單向帶復(fù)合材料在三軸加載下的力學(xué)性能特征進(jìn)行了研究，微觀模型中包含典型的纖維絲、基體和界面項(xiàng)，但模型計(jì)算結(jié)果并沒(méi)有表征出裂紋在基體的斷裂擴(kuò)展過(guò)程。

NCF復(fù)合材料和展寬機(jī)織復(fù)合材料都屬于紡織物復(fù)合材料。如圖7所示，這類(lèi)材料在多尺度分析過(guò)程中纖維束視為單向復(fù)合材料，可通過(guò)微觀尺度模型計(jì)算其力學(xué)性能參數(shù)。在細(xì)觀尺度構(gòu)建包括針織或機(jī)織結(jié)構(gòu)的細(xì)觀模型，開(kāi)展多尺度分析計(jì)算可得到織物結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊損傷行為的影響規(guī)律。在細(xì)觀尺度單胞模型的基礎(chǔ)上，既可直接對(duì)單胞進(jìn)行組裝，構(gòu)建細(xì)觀尺度的多尺度沖擊分析模型(方案1)；也可在得到紡織物單層等效剛度和強(qiáng)度參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行宏觀尺度的沖擊分析(方案2)。在這樣的一個(gè)過(guò)程中，構(gòu)建細(xì)觀尺度的單胞(Unit Cell)和RVE(Representative Volume Element)模型十分重要。美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)中單胞的定義為可表征紡織物組成的最小織物結(jié)構(gòu)，RVE則是力學(xué)計(jì)算中常用到的名詞，指紡織物的可重復(fù)典型結(jié)構(gòu)。RVE可以是一個(gè)單胞，也可以是多個(gè)單胞，二者都屬于織物復(fù)合材料的細(xì)觀尺度模型。

圖7 復(fù)合材料多尺度沖擊仿真框架——以機(jī)織復(fù)合材料為例Fig.7 Multi-scale impact modeling framework for composites: A case of woven composites

薄層復(fù)合材料因其較寬的絲束，通常制備成連續(xù)型NCF復(fù)合材料。典型連續(xù)型NCF復(fù)合材料為多層一體結(jié)構(gòu)，厚度方向的紗線(xiàn)穿過(guò)絲束，將其捆綁在一起。厚度方向的紗線(xiàn)通常為聚酯物，與復(fù)合材料基體的材料性能類(lèi)似，也因此在構(gòu)建RVE模型時(shí)可不構(gòu)建真實(shí)的捆綁紗線(xiàn)，只考慮紗線(xiàn)造成的纖維束擾動(dòng)和富樹(shù)脂區(qū)。當(dāng)然也可以先將多層結(jié)構(gòu)分為多個(gè)單層去預(yù)測(cè)NCF單層力學(xué)性能，然后再進(jìn)行宏觀尺度的分析。因?yàn)镹CF復(fù)合材料類(lèi)似于單向帶復(fù)合材料的織物結(jié)構(gòu)，如果有合理的單層性能折減系數(shù)或等效分析方法，可將其等效為單向帶復(fù)合材料進(jìn)行分析，以減小計(jì)算工作量。

機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀模型已有多種解析模型和數(shù)值建模策略，其中解析模型主要有鑲嵌模型(Mosaic Model)、纖維束波動(dòng)模型(Fiber undulation Model)、橋接模型(Bridging Model)及基于串并聯(lián)混合模型的均勻化方法。機(jī)織復(fù)合材料解析模型的研究工作為認(rèn)識(shí)薄層類(lèi)展寬機(jī)織復(fù)合材料的幾何結(jié)構(gòu)特征和構(gòu)建數(shù)值模型提供了較好的研究思路。機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀數(shù)值模型主要是細(xì)觀單胞模型和亞單胞模型。細(xì)觀單胞模型是根據(jù)真實(shí)的機(jī)織結(jié)構(gòu)建立的模型，建模及劃分網(wǎng)格都比較復(fù)雜；亞單胞模型一般是將細(xì)觀單胞模型分成不同的區(qū)域，在各個(gè)區(qū)域進(jìn)行局部均勻化建立的細(xì)觀尺度模型。除直接構(gòu)建細(xì)觀尺度沖擊分析模型外，也可按圖7只在細(xì)觀尺度對(duì)單層進(jìn)行均勻化，得到單層等效剛度和強(qiáng)度參數(shù)，并在宏觀尺度進(jìn)行沖擊分析，如Soto等將展寬機(jī)織復(fù)合材料單層進(jìn)行均勻化，不考慮纖維束的機(jī)織結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了低速?zèng)_擊分析模型對(duì)纖維、基體和分層特征進(jìn)行預(yù)測(cè)。盡管直接對(duì)單層進(jìn)行均勻化會(huì)帶來(lái)計(jì)算上便利，但織物細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊損傷起始及演化的影響無(wú)法反映出來(lái)。這就需要在細(xì)觀尺度上開(kāi)展多尺度沖擊仿真分析：將絲束單獨(dú)考慮，并按機(jī)織單胞在細(xì)觀尺度構(gòu)建RVE模型。一方面，展寬減薄的絲束厚度在0.1 mm以下且寬度在7 mm以上，要在這個(gè)寬厚比較高的單層結(jié)構(gòu)中考慮厚度方向的變形和纖維束方向的波動(dòng)，精細(xì)的RVE模型也是必要的；另一方面，Cao等的研究工作表明角鋪層展寬機(jī)織復(fù)合材料的RVE模型具有明顯的面內(nèi)尺寸效應(yīng)，而工程實(shí)際中往往又會(huì)設(shè)計(jì)有角度鋪層以使復(fù)合材料的整體性能更均衡。為考慮RVE模型的尺寸效應(yīng)，要求RVE模型包含足夠的機(jī)織單胞，這將導(dǎo)致細(xì)觀尺度計(jì)算工作量的提升。此外考慮到復(fù)合材料沖擊損傷分析屬于宏觀尺度的力學(xué)問(wèn)題，使用細(xì)觀尺度模型分析宏觀力學(xué)問(wèn)題，其分析模型要綜合考慮計(jì)算效率和精度。

綜上，薄層復(fù)合材料與傳統(tǒng)復(fù)合材料在材料體系上沒(méi)有變化，工程應(yīng)用中無(wú)需再驗(yàn)證其材料體系的可靠性?，F(xiàn)有各向異性的本構(gòu)模型、失效準(zhǔn)則、損傷模型、建模策略及其他新方法依然有較大的適用性，在薄層復(fù)合材料沖擊仿真分析時(shí)可進(jìn)行完善從而應(yīng)用到計(jì)算之中。在模型構(gòu)建方面，準(zhǔn)確表征薄層復(fù)合材料的單層性能是保證計(jì)算精度的關(guān)鍵，包括薄層單向帶復(fù)合材料的單層性能和紡織類(lèi)薄層復(fù)合材料的等效單層性能。建模過(guò)程可使用現(xiàn)有復(fù)合材料體系的失效準(zhǔn)則，但應(yīng)考慮所采用的單層強(qiáng)度參數(shù)(如橫向基體強(qiáng)度參數(shù))的就位強(qiáng)度效應(yīng)；可使用現(xiàn)有復(fù)合材料的離散或連續(xù)退化模型，但退化模型的參數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)重新標(biāo)定；可采用內(nèi)聚力模型(Cohesive Model)描述其界面的斷裂行為，但常用雙線(xiàn)性本構(gòu)的適用性需進(jìn)一步評(píng)估。在模型規(guī)模方面，相比同類(lèi)型、相同整體厚度的傳統(tǒng)復(fù)合材料，模型單元數(shù)量會(huì)顯著增加，如2.1節(jié)提到的仿生螺旋鋪層設(shè)計(jì)，厚度方向的鋪層數(shù)量會(huì)是傳統(tǒng)復(fù)合材料的2～3倍，可根據(jù)計(jì)算需求選擇圖6和圖7中描述的沖擊分析模型構(gòu)建策略，選擇合理的分析方法，達(dá)到模型規(guī)模、計(jì)算效率和結(jié)果精度的平衡。對(duì)于紡織結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的展寬機(jī)織復(fù)合材料，宏觀尺度的單層均勻化仿真不能有效反映紡織結(jié)構(gòu)、幾何尺寸和鋪層方向等對(duì)沖擊損傷機(jī)制的影響，而采用細(xì)觀RVE模型進(jìn)行沖擊仿真又存在計(jì)算效率問(wèn)題。因此發(fā)展精確而又高效的多尺度沖擊仿真方法也是展寬機(jī)織復(fù)合材料需研究的一個(gè)重要問(wèn)題。

4 總結(jié)與展望

從薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為角度總結(jié)了現(xiàn)有研究在沖擊失效特征和分析模型方面的研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上給出了薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為研究方面尚待解決的問(wèn)題，總結(jié)如下:

1) 薄層復(fù)合材料主要包含薄層單向帶復(fù)合材料、薄層NCF復(fù)合材料和展寬機(jī)織復(fù)合材料3類(lèi)。后兩者屬于紡織物復(fù)合材料，薄層NCF復(fù)合材料力學(xué)特征與單向帶復(fù)合材料的力學(xué)特征接近；展寬機(jī)織復(fù)合材料具有傳統(tǒng)機(jī)織復(fù)合材料的材料特征，但局部彎曲特征不同，纖維束彎曲交織的頻率更低。

2) 在低速?zèng)_擊損傷行為方面，薄層復(fù)合材料表現(xiàn)出了與傳統(tǒng)復(fù)合材料不同的損傷行為，目視勉強(qiáng)可見(jiàn)損傷在薄層單向帶復(fù)合材料中更容易出現(xiàn)，使按損傷阻抗設(shè)計(jì)此類(lèi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有了一定的可行性；對(duì)展寬機(jī)織復(fù)合材料的沖擊損傷行為認(rèn)識(shí)不足，缺少系列化能量場(chǎng)、多種絲束厚度、機(jī)織結(jié)構(gòu)影響情況下的材料沖擊損傷起始、演化和變形方面的研究。因此揭示沖擊載荷下層厚設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)薄層類(lèi)復(fù)合材料多種破壞模式間的影響機(jī)制是待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。通常復(fù)合材料尺寸效應(yīng)研究多關(guān)注面內(nèi)尺寸和層板整體厚度的影響，從單層厚度角度開(kāi)展研究有助于加深對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的認(rèn)識(shí)。

3) 高速?zèng)_擊載荷下具有仿生螺旋鋪層的薄層復(fù)合材料表現(xiàn)出了更好的吸能和承載特性，但目前在薄層復(fù)合材料高速?zèng)_擊損傷行為及單層厚度影響規(guī)律方面的研究依然不充分。薄層復(fù)合材料具有較高的可設(shè)計(jì)性，使其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣包容、裝甲防護(hù)等高速?zèng)_擊場(chǎng)景下具有一定的應(yīng)用潛力，現(xiàn)有按低速?zèng)_擊損傷容限方法設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)壽命的過(guò)程在高速?zèng)_擊載荷下并不完全適用，因此研究薄層復(fù)合材料高速?zèng)_擊下的力學(xué)行為、總結(jié)高速?zèng)_擊載荷下的安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與方法是十分有意義的科學(xué)問(wèn)題。

4) 現(xiàn)有文獻(xiàn)已開(kāi)展薄層單向帶復(fù)合材料層間斷裂韌性方面的研究工作，指出絲束厚度會(huì)影響材料的層間斷裂性能，特別是影響層間纖維橋接和裂紋擴(kuò)展過(guò)程，但具體的影響機(jī)制還需探討；研究薄層NCF復(fù)合材料和展寬機(jī)織復(fù)合材料層間斷裂韌性的文獻(xiàn)相對(duì)較少，因紡織結(jié)構(gòu)的影響，這些紡織類(lèi)復(fù)合材料層間斷裂韌性測(cè)試結(jié)果比單向帶復(fù)合材料的分散性更大，還需進(jìn)一步開(kāi)展其層間斷裂韌性方面的研究工作。此外復(fù)合材料的層間斷裂韌性會(huì)受加載速率的影響，關(guān)于薄層復(fù)合材料中層間性能的應(yīng)變率相關(guān)性還應(yīng)開(kāi)展具體的研究工作。因此理清薄層復(fù)合材料微細(xì)觀斷裂損傷失效機(jī)制及其關(guān)鍵影響因素也是值得研究的科學(xué)問(wèn)題。

5) 對(duì)于宏觀尺度沖擊損傷模擬，若薄層復(fù)合材料的單層力學(xué)性能得到準(zhǔn)確的表征，可采用已有的宏觀尺度仿真方法分析薄層復(fù)合材料。這樣表征薄層復(fù)合材料中的就位強(qiáng)度效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)、單層厚度效應(yīng)及紡織結(jié)構(gòu)的影響就構(gòu)成了影響宏觀尺度仿真模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵點(diǎn)。在模型構(gòu)建方法方面，“單層+界面”法計(jì)算精度最高；在鋪層較多的情況下，“子層+界面”法可提高計(jì)算精度；現(xiàn)有文獻(xiàn)沖擊分析模型中未充分考慮薄層復(fù)合材料應(yīng)變率效應(yīng)，薄層復(fù)合材料應(yīng)變率效應(yīng)的表征與率相關(guān)本構(gòu)模型的構(gòu)建也是值得關(guān)注的研究點(diǎn)。

6) 對(duì)于細(xì)觀尺度沖擊仿真分析，薄層NCF復(fù)合材料可不考慮厚度方向捆綁紗線(xiàn)進(jìn)行細(xì)觀模型構(gòu)建。展寬機(jī)織復(fù)合材料的織物結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，多尺度沖擊仿真分析中有必要考慮細(xì)觀尺度織物結(jié)構(gòu)的影響，然而精確描述機(jī)織物細(xì)觀結(jié)構(gòu)的RVE模型計(jì)算量較高，要使用此細(xì)觀模型研究宏觀力學(xué)問(wèn)題，需探索建立準(zhǔn)確高效的多尺度沖擊仿真方法。

感謝西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院郭偉國(guó)教授、王文智副教授及西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院范學(xué)領(lǐng)教授的建議和支持。