加载速率对层间断裂韧性的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug252015V01．36No82620—2650ISSN1000。6893CN11—1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaedu，ca加载速率对层间断裂韧性的影响李玉龙*，刘会芳西北工业大学航空学院，西安710072摘要：虽然加载速率对层间断裂的影响已经被广泛的研究，但是现有的研究结果还未能给出加载速率对层间断裂韧性影响的明确趋势。研究人员发展了许多测量层合板复合材料以及胶接层断裂韧性的实验方法。本文的主要目的是对

2、层间断裂韧性测量的实验方法进行综述，尤其是准静态和动态加载条件下层间起裂韧性的测量。首先介绍了准静态下I型、Ⅱ型以及I／Ⅱ复合型层间断裂韧性的测量方法，然后综述动态加载下层间断裂韧性的实验方法。前两部分着重介绍断裂实验中断裂参数(载荷、位移、起裂时间以及裂纹长度)的测量以及断裂韧性的计算。之后又综述了两种光学测量方法在层间断裂实验中的应用。最后将文献中加载速率对层间断裂韧性影响的实验研究结果进行了总结。关键词：断裂韧性；加载速率；复合材料；粘接；数字图像相关中图分类号：V258文献标识码：A文章编号：10006893(2015)08

3、—2620—31连续碳纤维增强树脂基复合材料以其高的比刚度、比强度广泛应用于航空航天领域u]。尤其在高性能碳纤维高韧性树脂复合材料出现之后，复合材料在飞机结构上的应用由原来的次承力结构发展至机翼、机身等主承力结构[2]。而复合材料层合板T型以及L型加筋结构是复合材料机翼、机身壁板等结构的重要组成部分，用于加强框或者桁条与蒙皮之间载荷传递[3。7]。其中胶接技术由于胶黏剂密度小，对初始结构无损，工艺简便等又是复合材料结构中常用的连接方式邱]。复合材料层合板以及复合材料L型或T型加筋结构中最常见的破坏形式为分层损伤。分层可能源于低速冲击

4、、工艺缺陷、光照以及鸟撞等[9]。复合材料层合板在低速冲击载荷作用下容易发生分层损伤，分层损伤会导致复合材料面内刚度的降低。因此，长期以来在复合材料界一直把冲击后压缩性能(CompressionAfterImpact，CAI)用做复合材料抗冲击和损伤性能的统一表征[2’10

5、。而胶接结构中的粘结界面也是整个结构中最薄弱的环节之一[10]。复合材料层合板T型或L型加筋结构在受拉伸、压缩以及弯曲作用时会发生脱胶或者分层等破坏。因此研究复合材料层间以及胶接层的断裂特性具有非常高的应用价值。界面断裂力学已经广泛地应用于层状材料的分层研究中口

6、卜12】，层间断裂韧性是衡量材料抵抗层间裂纹扩展(损伤阻抗)的主要参数。Davies和ZhangEl31发现低速冲击下层合板的临界分层载荷与层间断裂韧性之间为正相关关系。在复合材料分层以及脱胶的有限元模拟中，层间断裂韧性是最主要的材料参数口4。15

7、。因此需要对层间断裂韧性进行深入的了解。影响复合材料层间断裂韧性的因素有很多，例如基体的韧性、纤维铺向、厚度方向增强、成型方法及成型固化温度等Ⅲ]。Compston等[17]研收稿日期：2015—05—13；退修El期：2015-05-14；录用日期：2015—05—17；网络出版时间：

8、2015—06—0116：42网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929V20150601．1642．002html基金项目：国家自然科学基金(11372256)*通讯作者Tel．：029—88494859E—mail：liyulong@nwpu．edu．ca引禹格武“

9、YL'L．uHFLoadingrateeffectoninterlaminarfracturetoughness[JJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2015，36(8)2620-2650

10、i李玉龙．刘会芳．加载速率对层阚断裂韧性的影响￡∞航空学报．2015，36(8)：2620-2650李玉龙等：加载速率对层间断裂韧性的影响究了4种基体及其纤维增强复合材料的断裂韧性，结果发现基体的韧性以及基体与纤维之间的黏聚力对于复合材料I型层间断裂韧性均有影响。复合材料的层间断裂韧性受基体韧性的影响很大。通过添加纳米颗粒对基体增韧，可提高复合材料的层间断裂韧性[18。。树脂基体呈现出黏弹性力学特性，其断裂性质与温度和加载速率有很大的关系[1”22。。胶接结构中，由于其胶接层的主要成分为高聚物，胶接层的力学特性通常会表现出明显的加载

11、速率相关性呻]。粘结界面层以及粘结层材料的力学特性均表现出率相关性，而在复合材料以及胶接层的服役寿命中，经常受到冲击载荷的作用，因此需要研究加载速率对层间断裂的影响。虽然研究人员做了大量的工作口3。261推进层间断裂韧性实验测量的标准