基于层次宏细观方法的复合材料层合结构自由边缘冲击失效机理研究

Free edge impact damage can more drastically reduced the damage tolerance properties of laminated composite structures, when compared with the conventional low-velocity impact damage arising during an out-of-plane central impact. This research project focuses on the key problems of failure mechanisms and mechanical responses in composite laminates subjected to free edge impact loading. Such project works will be mainly conducted in three aspects, i.e. the fiber compressive failure behaviors under impactor’s pressure, the wedge effect induced by matrix debris and the coupling between intralaminar and interlaminar damage modes. With the help of failure mechanisms revealed at the micro level, an efficient macro-scale model, with clear physical signification, will be gradually established from the bottom up. Thus, a novel hierarchical micro-macro method can be proposed and suitable for the analysis of edge impact damage in laminated composites. And on this basis the initiation, propagation and interaction of complicated edge impact damage modes will be characterized in detail by experimental, theoretical and numerical studies. The innovations of the project mainly include the multi-scale modeling methods of fiber compressive failure and the matrix wedge effect, which are induced by the localized dynamic edge impact loading. For laminated composites, the research findings will provide the theoretical guidance for the damage resistance design and the development of the promising hierarchical micro-macro method for failure analysis.

相比于通常面外低速冲击结构中部造成的损伤，复合材料层合结构自由边缘的冲击损伤会对其损伤容限性能产生更严重的影响。本项目围绕低速冲击层合板边缘过程中的失效机理和力学响应等关键问题，从冲头挤压边缘导致的纤维压缩失效行为、基体碎片的楔入效应以及层内/层间损伤耦合机制三个层面开展研究。通过明晰细观尺度的多损伤失效机理，自下而上逐步建立具有明确物理意义的高效宏观损伤预测模型，进而提出一种适用于复合材料边缘冲击失效分析的新型层次宏细观研究方法。在此基础上，采用理论预测和试验验证相结合的方法，准确刻画边缘冲击载荷引入的复杂损伤起始、扩展和耦合细节。项目的创新点主要体现在局部动态边缘冲击载荷下纤维压缩失效和基体楔入效应的多尺度数值模拟方法。研究成果将为复合材料层合结构的损伤阻抗设计以及发展具有应用前景的复合材料层次宏细观失效分析方法提供理论支撑。

复合材料结构对冲击的敏感性及冲击后的强度降问题，严重危及结构的服役安全。区别于一般中心冲击事件，相同冲击能量引起的边缘冲击损伤明显比中心冲击严重，并且损伤模式与耦合扩展机理更为复杂。本项目以复合材料层合板为研究对象，采用试验研究与数值模拟并行的研究手段，运用多尺度分析思想关联复合材料在宏观与细观尺度下的失效行为，揭示复合材料层合结构自由边缘受低速冲击时的失效机理，建立层次宏细观损伤分析模型。首先，综合试验件的冲击力学响应，应用Micro-CT技术，同时结合C扫图像，确定了局部边缘冲击载荷引入的典型损伤特征状态，揭示了不同冲击能量下复合材料层合板内部的宏-细观损伤分布形貌。然后，提出了具有严格物理意义的弹塑性损伤本构模型，以表征基体材料的静水敏感性、非线性行为与各向同性损伤。细观力学分析中考虑组分力学行为和几何不均匀性，特别是关注基体多尺度断裂角分布，探究纤维增强聚合物复合材料在不同载荷情况下内部的失效机理与主导复合材料单向板承载的关键损伤模式。在宏观尺度上，提出了一个适用于热固性树脂基复合材料的失效准则，考虑了基体失效模式和纤维失效模式的相互耦合作用。根据细观力学模型预测的宏观均匀化强度与失效准则中的角度参数，进而建立复合材料边缘冲击的多尺度损伤分析模型，与试验数据的对比验证了模型的有效性。研究成果不仅能够用来理解常见复合材料结构件自由边缘的冲击失效机理，而且所建立的新型复合材料层次宏细观方法能够拓展于一般的复合材料损伤分析。