开孔参数对复合材料承力结构低速冲击响应的影响研究

The low-velocity impact damage of composite materials is a complicated process, making the mechanical properties of the composite structure severely degraded. Meanwhile, various opening holes are inevitable for the assembly or functional requirements in main load-bearing composite structure. These holes will induce stress concentration, which will further affect dynamic performances and damage propagation of the whole structure under impact. Considering the two dangerous factors, impact and opening hole, in this project, a dynamic response model of composite laminates with holes is established under low-velocity impact loads, to research the effect of opening parameters on impact damage and damage mechanism. Taking the out-of-plane low-velocity impact and in-plane tension/ compression as force boundary conditions, according to the complex function mapping principle and hertz contact force model, the displacement control equation of the laminates is established, which are based on the shear deformation theory of anisotropic elasticity. Then, the transient three-dimensional stress-strain state equations under complex boundary are obtained and the progressive damage are analyzed and validated experimentally. This project is aimed to reveal quantitative and qualitative regulations among hole parameters, stress disturbance, damage areas, damage modes and damage evolutions, thus providing new means and methods for the dynamic mechanical detail design of opening structures in composite materials and the detail structure safety assessment under the environmental loads.

复合材料低速冲击损伤过程复杂，并易造成相应结构的力学性能严重退化。另一方面，由于装配或功能方面的要求，复合材料主承力结构需要开设不同类型的孔口，孔口周边的应力集中会进一步影响冲击下整体结构的动力学性能和损伤扩展。针对冲击和开孔这两个设计时需要考虑的危险因素，本项目拟建立含孔层合板低速冲击下的动力学响应模型，并基于此开展开孔参数对冲击损伤的影响及机理研究。具体内容包括：以面外低速冲击和面内拉/压为力边界条件，借助复变函数映射原理和hertz接触力模型，基于各向异性弹性力学剪切变形理论，建立含孔层合板位移控制方程和复杂边界下瞬态三向应力应变状态方程，并进行逐渐损伤数值分析和模型的试验验证。本项目的研究旨在揭示开孔参数与层合板应力改变量、损伤面积、损伤模式、损伤演变之间的定量、定性影响规律，为复合材料开孔类细节的动态力学设计、环境载荷作用下复合材料细节结构的安全评估，提供新的手段和方法。

复合材料尽管具有优异的抗疲劳性能和耐腐蚀性能，但对于冲击载荷十分敏感，由冲击引起的内部损伤破坏，将使层合复合材料结构的力学性能严重退化。另一方面，由于功能方面的要求，孔口等细节结构的存在进一步影响冲击下整体结构的动力学性能和损伤扩展。.针对低速冲击下含开口结构层合板，本项目在现有的落重冲击试验机上，对夹具进行改装，按照ASTM标准D7136/D7136M-05进行了低速冲击试验。并采用PCB力传感器对冲击过程的动力响应进行测试；借助映射原理和hertz 接触力模型，基于各向异性弹性力学剪切变形理论，建立了含孔层合板位移方程和应力应变方程；基于三维瞬态应力、应变的材料失效准则，建立了含孔层合板低速冲击下的逐渐损伤分析模型，并基于此开展了开孔参数对冲击损伤的影响规律研究。结果表明：基于应力应变边界积分、边界微分方程组，计算获得层内应力、层间应力和应变分量，考虑纤维断裂、基体开裂、基体挤压和分层等失效模式，确定了由瞬态应力应变解析解描述的低速冲击载荷作用下的失效判据，利用ABAQUS模块创建用户子程序，对层合板进行实体单元的精确建模，通过与试验数据的对比，具有高度的吻合性，建模方法合理有效；研究了不同能量下层合板的损伤参数，主要包括表面凹坑深度和分层面积，发现在以凹坑深度和分层面积为损伤表征的情况下，损伤面积的增长随着能量的增加存在一个阈值，主要表现在在阈值附近损伤面积有一个较大的增长；从不同时刻，层合板胶层的分层情况可以看到，在刚性冲头和层合板冲击接触初始，开口结构对整体板的损伤影响不明显，随着冲头进一步与板相互作用，开孔结构逐渐加剧了孔口和冲击中心点之间材料的损伤，同一时刻，含孔板的失效单元个数都较无孔板失效单元的个数多；相同冲击能量下，受冲击试件的正面损伤差别较小，在冲击的背面，含孔板损伤较无孔板大，其中，方形开口板较圆形开口板在距离开孔较近处，分布了沿45度方向宽度较大的基体开裂和分层。.通过本项目的研究为碳纤维复合材料细节结构的动态力学性能分析、安全评估，提供一定的理论和试验手段和方法，完善了复合材料结构的力学设计体系。