摘 要 隨著纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在航空、航天、軌道交通等領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，復(fù)合材料制品在使用過程中易受到離散源損傷，為保證復(fù)合材料制品在撞擊后可正常使用，需開展損傷容限研究。對(duì)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的損傷容限的特性、損傷模式、設(shè)計(jì)要求和理論研究等方面進(jìn)行了說明，并對(duì)目前國內(nèi)外的研究進(jìn)展進(jìn)行了簡述。盡管目前已經(jīng)開展了大量研究，但復(fù)合材料的損傷容限還沒有通用性的指導(dǎo)準(zhǔn)則。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；損傷容限；纖維；低速

Progress in Impact Damage Tolerance of

Resin Matrix Composites

JIA Xue， WANG WEI Li，LIU Yu

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT With the continuous expansion of the application of fiber-reinforced resin matrix composites in aviation， aerospace， rail transportation and other fields， composite products are susceptible to damage from discrete sources in the process of use， and damage tolerance research is required to ensure that composite products can be used normally after impact. The characteristics， damage modes， design requirements and theoretical studies of the damage tolerance of fiber-reinforced resin matrix composites are explained， and the current research progress at home and abroad is briefly described. Although a large number of studies have been carried out， there is currently no universal guideline for damage tolerance of composites.

KEYWORDS composites; damage tolerance; fiber; low velocity

1 引言

隨著纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在航空、航天、軌道交通等領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，復(fù)合材料制品在使用過程中的工況也越來越復(fù)雜，易受到由飛鳥撞擊、發(fā)動(dòng)機(jī)的非包容性破壞等離散源造成的損傷［1-2］。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件隨著受到損傷的發(fā)生和逐步增長，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承載能力將逐步下降。為保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度下降到規(guī)定的載荷要求之前的任何時(shí)刻，都能夠檢查出損傷并及時(shí)維修，恢復(fù)結(jié)構(gòu)件承受載荷的能力，即從安全性來說，殘存結(jié)構(gòu)仍需保持足夠的可靠性水平，需要對(duì)損傷條件下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷容限進(jìn)行研究［3-4］。

2 損傷容限特性

損傷容限是指容許復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件部位存在一定限度的損傷，通過各種邊界條件確定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的損傷擴(kuò)展速度和剩余強(qiáng)度［5-6］。損傷容限設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)是允許結(jié)構(gòu)中存在一定程度的缺陷，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中可檢的部分給出檢修周期，不可檢的部分給出最大允許損傷。損傷容限特性三要素如下：

（1）裂紋擴(kuò)展阻抗。在恰當(dāng)?shù)妮d荷譜和使用環(huán)境共同作用下，裂紋從可檢尺寸擴(kuò)展至損傷許用值之間的裂紋擴(kuò)展期。

（2）臨界裂紋尺寸。在剩余強(qiáng)度載荷要求下的結(jié)構(gòu)裂紋臨界尺寸或在規(guī)定的損傷尺寸下是否滿足剩余強(qiáng)度要求。

（3）損傷檢查。包括檢查部位、檢查方法和檢查頻率。

通過損傷容限分析，對(duì)可檢結(jié)構(gòu)給出檢修周期，對(duì)不可檢結(jié)構(gòu)給出最大允許初始損傷。

3 復(fù)合材料損傷容限的研究現(xiàn)狀

3.1 復(fù)合材料損傷模式的研究

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在使用過程中受到外來異物沖擊時(shí)，一部分沖擊能量可通過復(fù)合材料的彈性變形吸收。當(dāng)沖擊能量超過某一閾值時(shí)，復(fù)合材料會(huì)產(chǎn)生一些損傷，損傷形式包括壓痕（凹坑）、基體開裂、纖維/基體脫粘、纖維斷裂分層和塑性變形等［7-9］。

在復(fù)合材料的各種損傷形式中，分層是主要損傷形式之一，分層損傷將導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的大幅降低，而基體開裂是分層損傷的前提條件［10-11］。這是由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件受沖擊后，沖擊點(diǎn)附近產(chǎn)生基體裂紋，裂紋沿厚度方向向沖擊表面擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到不同鋪層的單層板時(shí)，沿厚度方向的擴(kuò)展受到限制，因此裂紋轉(zhuǎn)而向?qū)娱g擴(kuò)展。馮振宇等研究了高能量大面積鈍物沖擊對(duì)復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件安全性的影響。結(jié)果表明，剛性沖擊下接觸壓力較大，局部變形和損傷更嚴(yán)重。與剛性沖擊相比，不同位置橡膠沖擊下的損傷較小且?guī)缀跬獠磕恳暡豢梢姡?2］。Lazar等研究了納米二氧化硅對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的損傷容限、抗失效能力和強(qiáng)度的影響。對(duì)不同濃度納米二氧化硅增強(qiáng)的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/環(huán)氧樹脂層合板進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓痕實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估其損傷性能和失效特征［13］。Emine等研究了二氧化硅、埃洛石和蒙脫土納米顆粒對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料損傷容限的影響，通過在聚合物基體中引入納米粒子，提高了復(fù)合材料抗沖擊和耐老化性能［14］。對(duì)于夾芯復(fù)合材料，任天宇研究了芯層類型、密度、厚度等多種影響因素對(duì)碳纖維-泡沫夾芯板的耐沖擊性能研究，結(jié)果表明，當(dāng)夾芯板完全貫穿時(shí)，厚度越厚，泡沫夾芯層所吸收的能量越高［15］。

目前，大量開展的復(fù)合材料沖擊損傷的理論和試驗(yàn)研究為損傷容限研究提供了豐富的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

3.2 損傷容限的設(shè)計(jì)要求

復(fù)合材料構(gòu)件在受到?jīng)_擊的初步階段，在給定載荷的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分析［16-17］。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在成型過程中必然存在微觀缺陷或外部沖擊造成的微觀損傷，在外載荷作用下，微觀裂紋損傷會(huì)發(fā)展至宏觀裂紋直至斷裂。因此，需要以斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ)，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的損傷容限準(zhǔn)則［18-19］。由于復(fù)合材料損傷容限設(shè)計(jì)在不同領(lǐng)域的必要性程度不同，僅在中國民用航空局指定的《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》中的《CCAR25.571結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評(píng)定》中，對(duì)損傷容限進(jìn)行了規(guī)定。CCAR25.57中規(guī)定，損傷容限的評(píng)定必須包括確定因疲勞腐蝕或意外損傷引起的預(yù)期的損傷部位和形式評(píng)定，還必須結(jié)合有試驗(yàn)依據(jù)和服役經(jīng)驗(yàn)支持的重復(fù)載荷和靜力分析來進(jìn)行同步評(píng)定。損傷后的結(jié)構(gòu)必須能夠承受飛行中可合理預(yù)期出現(xiàn)的靜載荷。

目前，其他行業(yè)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件尚沒有明確的損傷容限要求。對(duì)于個(gè)別有損傷容限要求的結(jié)構(gòu)件，在對(duì)使用需求充分論證的基礎(chǔ)上，可參考航空標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 損傷容限的理論研究

數(shù)值模擬和理論分析是復(fù)合材料沖擊損傷研究的熱點(diǎn)方向之一。數(shù)值模擬與理論分析首先要解決的是復(fù)合材料與沖擊物之間復(fù)雜的接觸關(guān)系，在沖擊-接觸的計(jì)算模型中，主要有靜力等效法與動(dòng)態(tài)接觸法兩大類。目前經(jīng)常使用的是動(dòng)態(tài)接觸法。數(shù)值模擬中，失效判據(jù)越準(zhǔn)確，模擬得到的結(jié)果精度就越高。因此，在數(shù)值模擬中的失效判據(jù)是很重要的一環(huán)。常用的失效判據(jù)包括最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則、最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則、蔡-希爾（Tsai-Hi11）準(zhǔn)則、蔡-胡 （Tsai-Wu）準(zhǔn)則，較常用的還包括ehang-hang準(zhǔn)則，Hasin準(zhǔn)則等［20-21］。

層合板的分層模擬也是非常重要的一環(huán)，即在兩相鄰單層板之間加入一層較薄的基體層，把基體層看作各向同性材料并給定基體的失效判據(jù)，若結(jié)構(gòu)受沖擊后基體層發(fā)生破壞，則層合板發(fā)生了分層損傷。這種模擬分層的方法比較準(zhǔn)確，但計(jì)算量很大。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料及其組分的力學(xué)行為一般都存在應(yīng)變率效應(yīng)，而纖維和基體的性能、纖維增強(qiáng)方式及界面強(qiáng)度等是影響復(fù)合材料抗沖擊性能的主要因素。在復(fù)合材料抗侵徹模型分析中直接引入材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，或以其他形式考慮材料承載變形率對(duì)抗彈過程的影響，對(duì)減小模型預(yù)測(cè)誤差都是十分必要的。張鐵嵩等研究了一種低速?zèng)_擊下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板損傷擴(kuò)展的分析模型。該模型使用Hashin準(zhǔn)則預(yù)測(cè)纖維和基體的損傷，并驗(yàn)證了該模型的有效性［22］。武海鵬等對(duì)復(fù)合材料層合板損傷容限的影響參數(shù)、纖維角度、鋪層順序、層合板厚度、沖擊速度和沖擊角度等進(jìn)行沖擊損傷仿真，采用蔡-吳強(qiáng)度準(zhǔn)則評(píng)價(jià)層合板沖擊的剩余強(qiáng)度，并對(duì)各參數(shù)影響的敏感性排序，確定纖維角度和鋪層順序?yàn)閺?fù)合材料層合板沖擊下?lián)p傷容限的敏感參數(shù)［23］。Shengjie Y等利用碳纖維剛度強(qiáng)度退化公式對(duì)碳纖維增強(qiáng)單向?qū)雍习逶诟邞?yīng)力水平下的拉伸疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明，不同鋪裝方式顯著影響裂縫擴(kuò)展和應(yīng)力分布，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際擴(kuò)展情況擬合較好［24］。

4 結(jié)語

目前在樹脂基復(fù)合材料的損傷和失效模式方面已經(jīng)開展了大量研究，并取得了豐碩的研究成果，但在復(fù)合材料損傷容限結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系還沒有建立，無法為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在使用過程中提供相關(guān)應(yīng)用準(zhǔn)則，因此行業(yè)還需要加強(qiáng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)。

參 考 文 獻(xiàn)

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