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基体裂纹对复合材料层合板低速冲击分层的影响

低速冲击,基体裂纹,分层,准各向同性层合板

随着复合材料在军用和民用飞机结构中的大量使用，根据AC20-107B，飞机复合材料结构损伤容限设计成为结构设计与适航的重要规范。该规范强调了设计中需要考虑冲击损伤对结构完整性的影响。针对这一问题，有很多学者开展了冲击分层的研究，目前主流做法是基于损伤力学的观点对分层进行模拟和分析，这种方法的优点是能够降低建模难度和计算成本，但缺点在于很难准确地模拟冲击的物理分层，只能大致对应整体分层形貌。部分学者从断裂力学的角度考虑了基体裂纹与分层之间的关系，试图准确地描述分层起始和扩展的物理机理，进一步预测冲击分层，并为准确地评估层合板冲击后压缩强度提供理论和方法基础。值得关注的研究之一是NASA兰利中心开展的预制分层通过基体裂纹进行迁移的问题，该研究发现基体裂纹是引发分层的关键。随着研究的深入，这一现象也逐渐被更多的学者所意识到。对冲击分层微观机理的揭示有助于实现更为符合物理规律的建模。目前，基于断裂力学角度，正交铺层的分层机理已经被清楚地阐释，但一般性层合板的分层机理却仍然缺乏合理解释。

本文受基于断裂力学观点研究分层机理的启发，将基于物理模式的基体裂纹引入到复合材料层合板的冲击研究中，以揭示其冲击分层机理。为了获取不同角度铺层间的分层形貌，对准各向同性层合板进行了冲击后热揭层试验。基于热揭层图像，对扇形分层在不同界面内以及沿厚度方向上的分布规律进行了分析。试验结果显示，各扇形分层均被限制在两条基体裂纹之间；在界面内，基体裂纹的位置由相邻铺层角度和铺层顺序所决定，但存在一个固定的裂纹起始角度；在厚度方向上，基体裂纹的分布由面外切应力峰值的分布所决定。之后，为了进一步阐明扇形分层的形成机理，建立了一个“微块”有限元模型。模拟结果显示，由于裂纹间的干涉作用，相向扩展的层间裂纹的应力强度因子更高，导致分层更容易发生；在这种扩展形式下，每一个层间最终会形成一对呈中心对称的双扇形分层。