低速冲击下复合材料加筋板的损伤阻抗性能

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1、2016年4月第42卷第4期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2016V01．42No．4http：ffbhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．onDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0261低速冲击下复合材料加筋板的损伤阻抗性能冀赵杰，关志东+，黎增山(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：为确定冲击能量、几何尺寸对低速冲击下复合材料加筋板损伤阻

2、抗性能的影响，对3组工型加筋板进行了试验和数值模拟研究。通过落锤式低速冲击试验，得到了试验件的接触历程、凹坑深度和分层面积等损伤特征。基于引入纤维断裂损伤的各向异性弹塑性理论建立了有限元(FE)模型，对试验件凹坑深度进行了模拟预测，模拟结果与试验结果吻合较好。研究表明，复合材料加筋板凹坑深度随冲击能量的变化曲线存在拐点，拐点后表面冲击部位出现纤维断裂。随着冲击能量的增大，试验件的最大接触力不断增大，而分层起始载荷及分层面积则变化不大。含1．5mm深凹坑试验件对应的冲击能量和最大接触力随筋条或蒙皮厚度的增大而不断增大，而分层

3、起始载荷仅随蒙皮厚度的增大而增大。关键词：复合材料；加筋板；低速冲击；损伤阻抗；永久凹坑；有限元(FE)方法中图分类号：V257；TB330．1文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)04．0751．11近年来，随着复合材料制造技术的发展，复合材料加筋结构被广泛应用于飞机结构中。低速冲击(如维护工具坠落、冰雹冲击和石子撞击等)会导致复合材料加筋结构内部发生不可见损伤，从而大大降低结构强度，因此在飞机结构设计中需要重点关注。通常规定复合材料结构的目视勉强可见冲击损伤(BarelyVisibleImpactDam

4、age，BVID)对应的剩余强度要求为极限设计载荷¨1。由于凹坑深度极易测量，一般采用表面凹坑深度作为BVID的定量描述旧1，因此有必要针对低速冲击下复合材料加筋板的永久凹坑进行研究。目前，针对低速冲击下复合材料加筋板的试验和理论研究主要集中在冲击过程与响应"⋯，冲击位置、冲击能量等影响因素”刮以及低速冲击损伤对压缩性能的影响"驯等，对凹坑深度的关注则相对较少。目前在针对复合材料凹坑深度的理论预测中，利用接触定律¨0。“1是一类方法，但该方法仅适用于凹坑深度较小的情况，因此预测范围有限。一些学者¨⋯1采用剪切非线性模型预测

5、凹坑深度，但需要进一步的试验验证。Bouvet等¨41基于基体开裂形成“阻塞系统”的机理建立了特殊的单元对凹坑深度取得了较好的预测效果，但该方法无法对纤维断裂形成的较深凹坑进行预测。研究发现嵋’”1，含BVID结构内部通常含有纤维断裂损伤，本文作者在前期工作中¨叫基于引入纤维断裂损伤的各向异性弹塑性理论建立了一套凹坑深度模拟方法，对复合材料层板的凹坑深度．冲击能量关系进行了准确的预测，但并未在加筋结构中进行验证。本文通过试验和数值模拟方法研究了冲击能量、蒙皮厚度和筋条厚度对低速冲击下复合材料收稿日期：2015-04-28；

6、录用日期：2015-07-03；网络出版时间：2015-09．1710：30网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150917．1030．002．html$通讯作者：Tel．：010-82338873E．mail：D5062010@163．tom；f用格式：冀赵杰，关志东，黎增山．低速冲击下复合材料加筋板的损伤胆抗性能fJJ，北京航空航天大学学报，2016，42(4)：751．761．．IIZJ．GUANZD．LIZS．Damageresistancepropertyofs

7、tiffenedcompositepanelsunderlow-velocityimpacteJ]．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(4)：751．761(inChinese)．752北京航空航天大学学报加筋板损伤阻抗性能的影响，验证了低速冲击下复合材料加筋板永久凹坑深度的理论预测方法，为复合材料加筋结构设计提供参考。1试验对象及方法1．1试验对象试验对象为复合材料加筋板，如图l所示。加筋板尺寸为365mm×308mm，筋条高度为3

8、4mm，筋条间距为77mm。为了研究蒙皮厚度和筋条厚度的影响，共设计了2种不同形式的蒙皮(编号SKl和SK2)和2种不同形式的筋条(编号11和12)共计3组试验件，编号分别为SKI—11、SKI—12和SK2一11。其中SK2．11组含10件试验件，用于研究冲击能量的影响；SKI-11与SKI-12组各