复合材料层合板的低速冲击损伤及其剩余压缩强度研究

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1、复合材料层合板的低速冲击损伤及其剩余压缩强度研究第199.5卷~嚣期固…VbI_l6No.3Sep.1995/C『I复合材料层合板的低速冲击损伤及其剩余压缩强度研究.江晓禹(西南空通大学应用力学所,成都,610031)宴?I雪惠J__.●.'.一(西北工业大学力学景.西安.710072]1D了摘要奉文采用理论和实验方法研究了复合材料层合板的低速冲击损伤厦其剩余压缩强度.文中利用有限元方法和能量转换原理计算了层合板受到低速冲击时的受裁最危险状态,以厦此时的应力分布l并用TS~Li.Wu张量堆喇判断损伤情况,对产生损伤的单元进行相应的刚度折喊-且

2、作重复计算直至不产生新的损伤为止;最后-对受到冲击的层合板还进行了剩余压缩强度计算.在实验中,采用激光全息无损检测法测量了层音板的冲击损伤,并对受冲击的层台板进行了剩余醐簇,曩俐,/1关麓调低速冲击堂,苎璺童.挺布Lr,飘V'士J～l引言.由于复合材料在各个锈域取得了广泛的应用,要求我们对复合材料的性能要有更好的了解.尽管纤维复合材料具有很高的强度,但它比许多金属易碎得多.因此复合材料更易因受到冲击而损伤,特别是垂直于层合板板面的冲击t甚至工具掉落这样的低速冲击也能产生一系列的损伤.通常,即使是不产生表面可见损伤的低速冲击,也会使层合板的剩余

3、强度大大降低,使得这类损伤具有很大的潜在危害性.这也是飞机复合材料结构损伤容限评定的新特点,因此,研究复合材料层合板受到冲击后的剩余压缩强度是很有必要的.Greszccuk[~],NASA研究中心的Elber~等对准各向同性复合材料层合板的低速冲击损伤进行了研究IHayesE?采用半实验的方法研究了任意铺设层合板的低速冲击损伤~C.md,Rhodes~']研究了复合材料飞机壁板受到外来物冲击后的剩余压缩强度.但以上研究有的只是对准各向同性铺设层合板}有的采用了经典层合板理论,不能考虑因产生损伤引起的层合板材料性质的改变I而且层合板冲击损伤的研

4、究与其剩余压缩强度的研究是互相脱离的一本文采用有限元方法和实验方法统一地研究了任意铺设层合板的低速冲击损伤及其剩余压缩强度.2理论分析对于图l所示的层合板,因各层的纤维铺设角不同,而使得各单层的力学性质在总体坐标系删z下不相同,需划分出图l中所示的单元,每个单元为层合板中某一层的一小块.因所取单元为层合板中某一层的一小块,板单元坐标系蹿=相对于层合板参考面Ⅺ有?1994-Ol-27收到第l稿.1994-10-13收到停改精第3期江晓禹等:复合材料层台板的低速冲击损伤及其剩余压缩强度研究-2,t5?一偏心距Zo(见图2),故即使参考面船处于纯弯

5、曲状态,该板单元的参考面碍也会有较大的面内变形"o(..),vo(z,),而且,由于考虑板的z向载荷作用,还需考虑单元的弯曲变形.此处,因板单元很小,其变形可取为0]:(z,,)=uo(z,)一=?,,Iv(z,,)=(￡,)一=?,,(1)(￡,,=),)图l层台板的构造图2层台板中的任一单元式中逗号表示对相应坐标的偏微分.通过应变一位移关系,平衡方程等,可求得所取单元的刚度方程为].{d)'={,)'(2)目前,大多数低速冲击问题都可当作静态的或准静态的进行处理.这是因为冲击持续的时间比应力波从冲击点传到支持边或自由边的时间长得多{而且,

6、研究表明冲击试验和等效静力试验在层合板内产生基本上相同的损伤.因此,本文的分析将假设为缓慢的横向加载.对于低速冲击,该理论方法基于能量转换原理;系统在冲击前的总能量等于系统:巾击以后任何时刻的总能量.ub(t)+u.()+￡,(E)+()一￡,.(0)+(0)(3)式中(),￡'(E),(),()分别表示系统在时刻的弯曲应变能,拉伸应变能,重力势能,动能.然后,通过有限元法计算出层合板的受载最危险状态——变形最大状态——冲击物速度为零的瞬问.并以此状态为基础,计算出层合板内部的应力分布情况.在此,引入T∞wu张量准则和平均应力准则作为损伤判据

7、.卜wu张量准则[e]:l}+ntl+2j+66+l+≥l(4)当式(d)得到满足,单元就发生了破坏.而且,为考虑因产生损伤引起的层合板材料性质的改变,此时需根据具体的损伤型式:纤维断裂,面内基体开裂,分层等,在单元刚度矩阵中进行相应的刚度折减.井进行重复计算,直到层台板内不再产生新的损伤为止.则可得到层合板各层的冲击损伤大小,冲击损伤的具体型式及位置.然后.对于得到损伤情况的层合板.在其两端施加面内压鳍载荷,并将载荷逐步增大,计?246?固体力学995年第16卷算到层台板完全破坏为止,则可得到层台板的剩余压缩强度.此处,因为只计算剩余压缩强

8、度,故只考虑局部失稳.3实验3.1落重式冲击(1)冲击能量;模拟工具掉落,如lkg左右的工具从1米高处落到机翼蒙皮上,试件为76ram×22gram的长方形板材,冲