1　引言
    復合材料結構飛機在服役過程中常碰到沖擊問題,如維修中不慎掉落的工具、設備撞擊等低速沖擊;或者跑道上濺起的沙石、冰雹、飛鳥撞擊等高速沖擊。由于復合材料對沖擊比較敏感,受到沖擊后容易產生損傷。高能量或中等能量沖擊會造成復合材料結構的穿透或侵入,這些損傷破壞是容易被檢測出來并進行修補的。而復合材料結構受到低能沖擊后,表面損傷一般較小,甚至目視難以直接觀察到(BVID),但是層壓板內部和沖擊內表面往往會發生基體開裂、基體擠壓破壞、分層和纖維擠壓、纖維斷裂等微觀損傷。這些內部損傷破壞將使層合結構的力學性能嚴重退化,強度可削弱35% -40%,從而導致層合結構承載能力大大降低,形成嚴重安全隱患。因此,研究復合材料層壓板的低速沖擊損傷及沖擊后的力學性能具有重要的理論意義與工程價值。
    國內外的學者分別分析了沖頭直徑、形狀,沖擊角度,沖擊物質量、材料,沖擊能量(速度),層合結構的鋪層方式對沖擊損傷破壞的影響。同時對復合材料層合結構低速沖擊損傷模式、沖擊后剩余強度、疲勞壽命及沖擊損傷數值模擬[5-6, 19-28]進行了大量試驗研究。
    2　沖擊試驗研究
    2.1　沖擊試驗
    沖擊試驗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工具掉落對復合材料層合結構造成的沖擊;以空氣槍(gas gun)模擬飛機起飛及降落時跑道上碎石飛濺或冰雹對機體所造成的沖擊破壞。
    結果表明,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,層壓板內部的損傷程度越嚴重,其剩余拉伸強度越低。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
    由于層合結構宏觀上的各向異性,細觀上的多相非均質性及呈層性,其損傷破壞模式完全不同于各向同性材料及一般均質各向異性材料。復合材料結構不同于金屬結構,其內部發生塑性變形的能力受到很大限制,且纖維增強復合材料具有良好的彈性,屬于彈脆性材料。當復合材料板受沖擊載荷作用時,一部分沖擊動能轉變為可恢復的彈性應變能,另一部分能量被材料所吸收,造成了不可恢復的損傷。
    復合材料層壓板的沖擊破壞機理相當復雜,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或結合在一起發生,彼此誘發和相互耦合。
    Moura[8]對碳/環氧層壓板進行低速沖擊試驗,結果表明:層壓板的內部損傷主要是分層及橫向裂紋;且兩種損傷相互聯系,只要在界面處有分層,在相鄰層就會有橫向裂紋出現,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生,具有雙葉形狀,且主軸方向和距離界面處較遠層的纖維方向一致,這已經被Clark模型證實;分層從沖擊表面附近的界面向相反表面附近的界面擴展。
    程小全[6]發現離沖擊面越遠分層面積越大,沖擊能量增加時,各界面的分層面積增加,與損傷投影面積無直接關系。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律有很大變化。沈真[9]發現對于同一種復合材料層壓板的沖擊能量—凹坑深度曲線和凹坑深度—壓縮破壞應變曲線均存在拐點,拐點現象表明復合材料層壓板對沖擊事件(或接觸力)的抵抗能力發生了突變。在出現拐點后內部的分層損傷疊加面積基本不再增加,壓縮剩余強度基本不再降低,表面沖擊部位開始出現纖維斷裂。
    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(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)、聲發射(Acoustic emission)、溫度記錄法(Thermography)等方法。破壞性檢驗(Destructivetesting)方法包括熱揭層技術(Thermally deplying)、光學顯微鏡(Optical microscopy)、掃描電子顯微鏡(SEM)等方法。大量研究結果表明,只用一種檢測技術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構的沖擊損傷進行正確評價。
    3　沖擊后的力學性能
    3.1　沖擊后的剩余強度
    沖擊后剩余強度以剩余壓縮性能的研究為最多,這是因為沖擊后層板產生分層,在壓縮作用下易產生局部、整體或混合型的屈曲失穩,導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展對其剩余壓縮強度的影響。潘文革[12]研究了二維編織環氧樹脂基玻璃纖維復合材料層壓板在室溫和濕熱條件下的沖擊后壓縮性能。結果表明,材料達到平衡吸濕后,室溫環境下的沖擊能量平均下降19. 2%; 70℃、相對濕度85%環境下,沖擊后壓縮破壞應力平均下降54. 3%。
    崔海坡[4]研究了7種沖擊能量作用下T300/BMP-316復合材料層壓板的沖擊能門檻值,即當沖擊吸收功≤5. 0 J時,沖擊損傷對層壓板的剩余拉伸強度影響較小;而當沖擊吸收功>5. 0 J后,層壓板的剩余拉伸強度會有較大幅度的降低。
    賀成紅研究了復合材料低速沖擊后的剩余彎曲強度和模量,結合沖擊損傷形貌比較了其沖擊損傷模式及演化過程。發現當復合材料結構完整性損失較大時彎曲性能才明顯下降,其中彎曲強度對纖維斷裂更敏感,而彎曲模量對分層更敏感。沖擊中角鋪層復合材料形成了大面積分層,其彎曲模量較強度衰減更嚴重。Kang研究了低溫低速沖擊碳/環氧層壓板剩余彎曲強度,沖擊能量增大時剩余彎曲強度降低。并且溫度降低,環氧樹脂脆性增大,導致沖擊損傷及剩余彎曲強度都受到溫度影響。
    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,因此國內外許多學者都對其進行了分析。試驗表明,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。在高應力水平下,纖維累積損傷面積對疲勞壽命影響較大,當疲勞載荷逐漸減小時,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/環氧基復合材料層合板在等幅疲勞載荷下的分層擴展規律和最終失效機理。Attia[16]研究了含初始沖擊損傷復合材料結構在疲勞載荷下的損傷擴展過程,并利用應變能釋放率對其疲勞壽命進行了預測。Kang[17-18]認為在疲勞載荷下,復合材料剩余強度逐漸下降導致了材料最終失效,而復合材料層板沖擊剩余強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　有限元數值模擬
    將試驗研究與有限元數值模擬相結合是一種有效的研究手段,很多研究者應用有限元模擬方法分別對復合材料層壓板沖擊損傷和沖擊后力學性能進行研究。
    早期對沖擊的研究工作大部分采用二維模型進行模擬,把沖擊后層壓板的損傷做一定的假設,再研究其剩余強度。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力有限元分析含損傷層壓板的應力應變狀態,并應用點應力判據預測層板的壓縮(或壓、剪)剩余強度。燕瑛把沖擊破壞區看作一個含有隨機分布裂紋的圓形不均勻體,采用有限元建模分析,預測復合材料層板的沖擊后壓縮強度。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用于含孔層壓板在壓縮載荷作用下的剩余強度分析模型[22]。Tan[23]提出了與Chang完全不同的一種參數退化方式,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狀態變量來表示,同時通過大量的試驗研究確定這些變量的值。
    二維模型雖然在建模及計算方面比較方便,但是為了對層壓板進行更詳細的損傷破壞分析,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上提出了三維逐漸損傷分析模型對層壓板的沖擊過程進行了模擬。Camanho[25]將Tan的參數退化方式擴展到三維。Nguyen[26]只考慮了基體開裂和纖維斷裂這兩種失效模式,采用最大應變準則進行失效分析,應用三維逐漸損傷方法分析了復合材料層壓板承載破壞過程。程小全[6]用三維動態有限元法對兩種層壓板進行了低速沖擊損傷模擬計算,以此作為沖擊后壓縮(CAI)層壓板的初始損傷,然后用三維靜態有限元對含損傷的層壓板進行壓縮破壞模擬和剩余強度計算,實現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、失效準則和材料性能退化技術,建立三維有限元模型對層壓板的沖擊過程進行分析。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構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測方法。并在ANSYS軟件平臺上,開發了參數化的復合材料層合結構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,分析纖維增強樹脂基復合材料層壓板在橫向低速沖擊作用下損傷和變形行為。張華山[29]將復合材料細觀力學橋聯模型與有限元軟件ABAQUS結合,用于分析層壓板受低速沖擊作用的極限承載能力。
    5　結語
    目前對沖擊損傷及剩余強度問題的研究大多采用經驗模型,模型中的參數需要通過大量的試驗來確定,成本較高且一般都低估了復合材料層合板的剩余強度。雖然復合材料層合結構沖擊損傷破壞及其擴展問題從實驗研究到有限元數值模擬都已取得了一定的進展,但仍然存在著許多未得到很好解決的問題。有限元結構分析模型,盡管特定條件下的分析計算結果與實驗結果較吻合,但是對于應用于工程結構上還需要深入研究。
     關于環境因素對復合材料層壓板沖擊后力學性能的影響已經進行了很多研究,但是對濕熱環境沖擊后力學性能研究的較少。而濕熱環境是復合材料結構最敏感的環境條件之一,濕熱老化是復合材料的主要腐蝕失效形式。因此,考慮環境因素的研究工作將對纖維增強復合材料的耐久性及可靠性研究具有重要意義。