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目前复合材料结构的损伤容限设计主要以无预应力下的低速冲击后剩余强度为设计参数。然而服役过程中空天复合材料结构在受冲击之前通常处于复杂预载荷状态，例如：飞机机翼的上、下蒙皮在飞行过程中分别承受压缩和拉伸载荷。预载荷会通过调控复合材料结构刚度，在细观尺度上改变纤维、基体和界面等组分应力分布模式，进而影响结构的冲击损伤机理、损伤扩展方式和剩余强度，目前对这一机制的认识尚不清晰。 近日，西安交通大学与伦敦玛丽女王大学在国际著名期刊《Aerospace Science and Technology》发表了题为“Numerical investigation of the low-velocity impact damage resistance and tolerance of composite laminates with preloads”的研究文章。该研究针对预载荷下复合材料层合板的低速冲击损伤阻抗和损伤容限开展了系统的仿真分析，给出了不同冲击能量下冲击损伤面积和剩余强度随预载荷的变化规律，并为进一步的试验研究和结构设计提供了参考。论文第一作者为西安交通大学张迪助理教授，通讯作者为西安交通大学周晋教授和伦敦玛丽女王大学Haibao Liu教授。
首先该研究建立了预载荷下复合材料层合板低速冲击和冲击后压缩强度有限元分析模型，并开展了模型验证。其中层内损伤分析采用基于应变的2D-Hashin准则和双线性损伤演化模型，层间损伤分析采用基于Cohesive单元的二次应力准则和B-K损伤演化模型。有限元分析分三步，第一步为层合板施加预载荷，第二步开展低速冲击损伤分析，第三步针对含冲击损伤层合板开展剩余压缩强度分析，有限元模型如图1所示。图2和图3所示为有限元分析结果与试验结果的对比验证，从图中可以看出该模型可以有效的捕捉冲击载荷下复合材料层合板的损伤模式和剩余强度，误差基本在10%以内，验证了模型的有效性。
图 1. 预载荷下复合材料层合板低速冲击和冲击后压缩有限元模型。
其次，该研究开展了不同冲击能量下复合材料层合板的冲击损伤和剩余强度的仿真分析，如图4所示。结果显示复合材料层合板低速冲击损伤面积和剩余强度随冲击能量的变化趋势表现出明显的三阶段特征。基于此结果，在考虑预载荷的冲击损伤分析中，冲击能量选取第二阶段的15J和第三阶段的35J。
最后，该研究进一步开展了不同冲击能量下复合材料层合板低速冲击力学行为、冲击后压缩强度及损伤机理与预载荷的关系研究。研究结果表明，预载荷从压缩到拉伸的单调过渡导致低速冲击损伤面积和能量耗散降低（图5、图6），而冲击后压缩强度呈现出波浪式变化，与之的相关性并不明显（图7）。因此，该研究也指出预载荷下复合材料的损伤阻抗和损伤容限分析应充分考虑材料系统、堆叠顺序、冲击能级和其他相关因素的变化。
该研究建立了预载荷下复合材料层合板低速冲击损伤和剩余强度预测模型，初步分析了预载荷对复合材料冲击损伤阻抗和损伤容限的影响规律。研究结果对于复合材料损伤容限和耐久性设计具有一定的指导意义，也为进一步的试验研究提供了思路和方向。 |
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