复合材料加筋板筋条自由边缘冲击损伤与冲击后压缩失效机理研究

For laminated composite structures, the low-velocity impact induced free edge damage can more drastically reduced the damage tolerance properties of structures than the out-of-plane impact damage. Taking a stiffened composite panel, a typical airframe element, as the object of study of the project, the mechanisms of kink bands, fiber/matrix debris wedge, delaminations and their coupling will be revealed by experimental and theoretical studies for the stiffener edge impact of the panel. In addition the residual compressive strength predictions and tests will be performed to determine the effects of free edge impact damage on the compression behaviors of stiffened composite panels..The innovations of the project includes the following four aspects: (1) a model for the prediction of impact induced fiber kink bands; (2) a model for fiber/matrix debris wedge effect; (3) a modified model for delamination onset and propagation; (4) a residual compressive strength model for stiffened composite panels after free edge impact of stiffener.

复合材料层合结构自由边缘的低速冲击损伤对其损伤容限性能的影响要比通常的面外冲击损伤严重。项目以飞机结构的典型元件 — 加筋板为研究对象，通过对其筋条自由边缘的低速冲击损伤试验与理论预测模型研究，揭示冲击导致的纤维折曲失效、纤维/基体碎片的楔入效应、分层失效机理及多个失效模式之间的耦合机制。在此基础上，通过对加筋板冲击后压缩失效机理的试验与预测方法的研究，揭示筋条自由边缘冲击损伤对加筋板压缩性能的影响。. 本项目的主要创新点：（1）冲击导致的纤维折曲失效的数值分析模型；（2）纤维/基体碎片的楔入效应的数值模拟方法；（3）改进的层间分层预测模型；（4）筋条自由边缘冲击后的加筋板压缩剩余强度模型。

复合材料层合结构自由边缘的低速冲击损伤对其损伤容限性能的影响要比通常的面外冲击损伤严重。项目以飞机结构的典型元件——加筋板为研究对象，开展了边缘冲击及冲击后压缩失效机理的试验研究和数值分析。试验中通过目视损伤检测和无损检测技术获得了加筋板典型冲击位置的损伤形貌，测量了试验件的压缩剩余强度和应变分布情况，并根据试验结果分析了失效机理。在此基础上，采用连续介质损伤力学方法、离散层模型、内聚力模型等理论方法，建立复合材料加筋板筋条自由边缘冲击损伤与冲击后压缩行为的数值预测模型，模型考虑纤维折曲失效、纤维/基体碎片的楔入效应、分层表征及多个失效模式之间的耦合机制。研究结果表明：T型筋条边缘冲击损伤特性更加接近于层合板在轴向稳态渐进压溃过程中的损伤特性，而I型筋条边缘冲击损伤则与较高能量冲击蒙皮中心后呈现的损伤特性类似；复合材料加筋板对筋条自由边缘冲击更为敏感，边缘冲击损伤的严重程度决定了复合材料加筋板的压缩失效机理，其对承载能力的影响远超过壁板蒙皮处冲击损伤的影响；T型筋条边缘在冲击后压缩过程中，纤维压缩损伤起始于冲击引入的压溃区边界并沿垂直于压缩载荷的方向扩展，是导致含边缘冲击损伤的复合材料结构最终失去承载能力的根本原因；与之相比，纤维压缩损伤与分层是导致含边缘冲击损伤I型筋条压缩破坏的根本原因，筋条圆角区与下缘条的分层诱发了纤维压缩损伤的萌生与扩展，最终导致含边缘冲击损伤筋条的断裂。本项目提出的加筋板边缘冲击与冲击后压缩分析方法和试验测量数据之间有良好的一致性，能够为复合材料加筋板的设计和应用提供参考。