低速沖擊下復合材料加筋板的損傷阻抗性能

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1、2016年4月第42卷第4期北京航空航天大學學報JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2016V01．42No．4http：ffbhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．onDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0261低速沖擊下復合材料加筋板的損傷阻抗性能冀趙杰，關(guān)志東+，黎增山(北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京100083)摘要：為確定沖擊能量、幾何尺寸對低速沖擊下復合材料加筋板損傷阻

2、抗性能的影響，對3組工型加筋板進行了試驗和數(shù)值模擬研究。通過落錘式低速沖擊試驗，得到了試驗件的接觸歷程、凹坑深度和分層面積等損傷特征?；谝肜w維斷裂損傷的各向異性彈塑性理論建立了有限元(FE)模型，對試驗件凹坑深度進行了模擬預測，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。研究表明，復合材料加筋板凹坑深度隨沖擊能量的變化曲線存在拐點，拐點后表面沖擊部位出現(xiàn)纖維斷裂。隨著沖擊能量的增大，試驗件的最大接觸力不斷增大，而分層起始載荷及分層面積則變化不大。含1．5mm深凹坑試驗件對應的沖擊能量和最大接觸力隨筋條或蒙皮厚度的增大而不斷增大，而分層

3、起始載荷僅隨蒙皮厚度的增大而增大。關(guān)鍵詞：復合材料；加筋板；低速沖擊；損傷阻抗；永久凹坑；有限元(FE)方法中圖分類號：V257；TB330．1文獻標識碼：A文章編號：1001．5965(2016)04．0751．11近年來，隨著復合材料制造技術(shù)的發(fā)展，復合材料加筋結(jié)構(gòu)被廣泛應用于飛機結(jié)構(gòu)中。低速沖擊(如維護工具墜落、冰雹沖擊和石子撞擊等)會導致復合材料加筋結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生不可見損傷，從而大大降低結(jié)構(gòu)強度，因此在飛機結(jié)構(gòu)設計中需要重點關(guān)注。通常規(guī)定復合材料結(jié)構(gòu)的目視勉強可見沖擊損傷(BarelyVisibleImpactDam

4、age，BVID)對應的剩余強度要求為極限設計載荷¨1。由于凹坑深度極易測量，一般采用表面凹坑深度作為BVID的定量描述舊1，因此有必要針對低速沖擊下復合材料加筋板的永久凹坑進行研究。目前，針對低速沖擊下復合材料加筋板的試驗和理論研究主要集中在沖擊過程與響應"?，沖擊位置、沖擊能量等影響因素”刮以及低速沖擊損傷對壓縮性能的影響"馴等，對凹坑深度的關(guān)注則相對較少。目前在針對復合材料凹坑深度的理論預測中，利用接觸定律¨0。“1是一類方法，但該方法僅適用于凹坑深度較小的情況，因此預測范圍有限。一些學者¨?1采用剪切非線性模型預測

5、凹坑深度，但需要進一步的試驗驗證。Bouvet等¨41基于基體開裂形成“阻塞系統(tǒng)”的機理建立了特殊的單元對凹坑深度取得了較好的預測效果，但該方法無法對纖維斷裂形成的較深凹坑進行預測。研究發(fā)現(xiàn)嵋’”1，含BVID結(jié)構(gòu)內(nèi)部通常含有纖維斷裂損傷，本文作者在前期工作中¨叫基于引入纖維斷裂損傷的各向異性彈塑性理論建立了一套凹坑深度模擬方法，對復合材料層板的凹坑深度．沖擊能量關(guān)系進行了準確的預測，但并未在加筋結(jié)構(gòu)中進行驗證。本文通過試驗和數(shù)值模擬方法研究了沖擊能量、蒙皮厚度和筋條厚度對低速沖擊下復合材料收稿日期：2015-04-28；

6、錄用日期：2015-07-03；網(wǎng)絡出版時間：2015-09．1710：30網(wǎng)絡出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150917．1030．002．html$通訊作者：Tel．：010-82338873E．mail：D5062010@163．tom；f用格式：冀趙杰，關(guān)志東，黎增山．低速沖擊下復合材料加筋板的損傷膽抗性能fJJ，北京航空航天大學學報，2016，42(4)：751．761．．IIZJ．GUANZD．LIZS．Damageresistancepropertyofs

7、tiffenedcompositepanelsunderlow-velocityimpacteJ]．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(4)：751．761(inChinese)．752北京航空航天大學學報加筋板損傷阻抗性能的影響，驗證了低速沖擊下復合材料加筋板永久凹坑深度的理論預測方法，為復合材料加筋結(jié)構(gòu)設計提供參考。1試驗對象及方法1．1試驗對象試驗對象為復合材料加筋板，如圖l所示。加筋板尺寸為365mm×308mm，筋條高度為3

8、4mm，筋條間距為77mm。為了研究蒙皮厚度和筋條厚度的影響，共設計了2種不同形式的蒙皮(編號SKl和SK2)和2種不同形式的筋條(編號11和12)共計3組試驗件，編號分別為SKI—11、SKI—12和SK2一11。其中SK2．11組含10件試驗件，用于研究沖擊能量的影響；SKI-11與SKI-12組各