冲击波作用下CFRP损伤与破坏机理的实验研究

The CFRP composites have been widely used in the structures of both military and civil airplanes due to their extraordinary performances. Profound study on the damage and failure mechanism under shock wave loading by explosion is important content of the survivability research of aircraft. Therefore, the damage analysis of composites under high velocity has been focused recently. This project is devoting to developing the test technique and system for measuring the dynamic deformation of CFRP under shock wave. Therefore the dynamic mechanical properties will be experimentally investigated. A high speed full-fields measurement system will be set up. The debonding failure of speckles under shock wave will be settled. And the special DIC algorithm for the noisy images will be developed. The dynamic displacement, strain and velocity fields of the CFRP plates can be calculated, which will be compared with the simulated fields. Thus the evolution of the dynamic mechanical parameters under shock wave will be extracted. The damage and failure mechanism of CFRP will be analyzed for this mix procedure, which can provide the guidance for the reliability of CFRP under extreme loading.

高性能的碳纤维增强复合材料（CFRP）在军用和民用飞机的机体结构上得到了非常广泛的应用。深入研究其在爆炸冲击波作用下的损伤特性，分析损伤与破坏过程及失效机理，是机体结构生存力研究的主要内容，已成为当前CFRP复合材料的研究重点和热点之一。本项目立足于发展CFRP复合材料在冲击波作用下的动态力学性能研究的测试技术与系统，把基于光学变形场测量的高速三维数字图像相关方法引入到爆炸产生的冲击波作用下的动态变形测量中，对CFRP的动态力学行为进行实验研究。拟建立一套高速数字图像采集测量系统，解决散斑容易脱落的问题，发展针对图像噪声高的DIC算法，计算爆炸条件下CFRP动态破坏过程中的位移场、速度场和应变场，并与相同条件下数值模拟结果进行比对，得到材料在冲击波作用下的动态力学参数的演变，分析CFRP的损伤与破坏机理，为其在极端载荷作用下可靠性提供指导。

碳纤维增强复合材料（CFRP）由于高比模量、高比强度等优异力学性能在航空、航天等领域得到了广泛的应用。然而这种材料的抗冲击性能较差，在冲击和爆炸作用下容易发生损伤，甚至导致结构失效破坏。本项目以几种典型铺层的CFRP层合板复合材料为研究对象，主要基于高速3D-DIC测量技术，对CFRP层合板在低速冲击和爆炸载荷作用下的动态力学行为及损伤和破坏机理进行了系统实验研究。首先建立了薄板弯曲变形场测量系统，用虚场方法反演得到了CFRP的弹性参数。分别以落锤和霍普金森压杆为加载手段，研究了CFRP层合板在低速冲击下的损伤行为。采用薄板弯曲变形场技术和红外热成像检测技术，对带损伤的复合材料层合板进行损伤检测，得到不同铺层层合板的主要损伤类型和特点。数值仿真模拟了层合板在冲击作用下的损伤过程。分别采用内爆炸和自由场爆炸实验，用高速3D-DIC测量了在爆炸作用下CFRP试样的动态变形场，对典型的损伤位置进行CT断层扫描，分析了CFRP层合板在爆炸冲击作用下损伤形式。研究结果表明，低速冲击和爆炸冲击波作用都会造成CFRP层合板不同程度的多种形式的损伤，其中层间分裂是主要损伤形式。在相同条件下，单向铺层的层合板最容易发生损伤，抗冲击最差。而类似准均质铺层的层合板抗冲击能力最强。研究结果可为CFRP在抗冲击设计以及爆炸作用下损伤评估具有价值的参考。基于本项目建立的高速3D-DIC动态变形场测试系统，为将来开展此方面的研究提供了一个很好的实验平台。