一种含目视几乎不可见损伤(BVID)复合材料层压板面内失效准则的双轴加载验证

在复合材料飞机结构设计中,由于应力的铺层相关性,工程上通常采用应变进行结构强度预测。另外,复合材料飞机需考虑损伤容限设计,必须对含损伤,尤其是目视几乎不可见损伤(Barely visible impact damages,BVID)结构的适航符合性进行评估。因此,民用飞机结构设计上更需要基于应变的并考虑含损伤的复合材料失效准则来预测结构强度。本文介绍了一种复合应变失效判据,为验证该失效判据的保守性,设计了面内双轴加载试验,对含BVID损伤的准各向同性铺层T800级碳纤增强环氧树脂基复合材料层压板进行了各种工况的面内失效测试。通过设计双轴加载载荷比,实现了不同的拉伸、压缩、剪切复合加载工况。理论分析与试验结果对比显示,理论方法的失效载荷约为试验失效载荷的80%。此方法的保守性和准确度既满足了结构安全性需求又不会引入不必要的结构质量,适合于实际工程应用。

聚芳醚酮(PAEK)树脂熔体黏度及冲击能量对其复合材料冲击损伤行为的影响

采用两种不同熔体黏度的国产高性能聚芳醚酮树脂(PAEK-L、PAEK-H)及国产T300级碳纤维(SCF35),制备了碳纤维增强聚芳醚酮(SCF35/PAEK)热塑性复合材料,研究了树脂基体黏度及冲击能量对复合材料冲击性能的影响,采用Micro-CT表征了准静态压入试样的内部形貌,研究了复合材料的冲击损伤机制。结果显示流动性较低的PAEK-L树脂基复合材料比流动性较高的PAEK-H树脂基复合材料具有更高的抗冲击性能,SCF35/PAEK-L复合材料体系冲击能量的损耗比SCF35/PAEK-H复合材料体系低~7%,其损伤面积小~90%,在6.67 J/mm的冲击能量下,其冲击后压缩强度达到~307 MPa,比SCF35/PAEK-H复合材料体系冲击后压缩强度(205 MPa)高~50%;SCF35/PAEK-L复合材料中表面凹坑的深度随冲击能量的增加呈增加的趋势,冲击后压缩强度随冲击能量的增加呈降低的趋势,当复合材料的表面凹坑深度达到1.0 mm左右,即达到勉强目视可见冲击损伤(BVID)门槛值时,剩余压缩强度为~268 MPa。准静态压入实验结果显示,SCF35/PAEK-L复合材料受到冲击后表面凹坑主要由树脂基体的塑性变形及纤维屈曲造成,表面凹坑周围的裂纹由压缩应力造成,冲击过程中试样背面的纤维在拉伸应力的作用下发生断裂,试样底层的纤维在剪切力的作用下萌生层间裂纹,随着试样挠曲变形程度的增加,纤维的断裂程度增加且层间裂纹逐渐扩展。

低速冲击下复合材料层板压缩许用值

为评估航空结构中常用的T300级和T800级2种碳纤维/环氧树脂复合材料层压板的冲击后压缩许用值,对2种材料体系下具有不同厚度及铺层的层板进行了低速冲击和冲击后压缩试验;讨论了冲击能量、凹坑深度、损伤面积及冲击后剩余压缩强度等之间的关系,以及厚度、铺层、表面防护等因素对其造成的影响;重点关注了2种材料体系下各组层板的目视勉强可见冲击损伤(BVID)形成条件以及含BVID层板的剩余强度。结果表明:厚度及铺层对层板的凹坑深度-冲击能量关系影响较大,而对冲击后压缩强度-凹坑深度及冲击后压缩破坏应变-凹坑深度关系影响较小,且在相同铺层比例下,BVID对应的冲击能量随厚度近似呈线性增长。X850层板的损伤阻抗性能明显优于CCF300/5228层板的,但二者损伤容限性能相当。加铜网、涂漆等表面处理显著提高了层板的损伤阻抗,但对损伤容限性能影响不大;在损伤不超过BVID时,所有CCF300/5228试件的压缩破坏应变均大于4 000με,而X850材料体系下压缩破坏应变均在3 000με之上。

民机复合材料结构冲击后压缩设计值的确定方法

冲击后压缩设计许用值是复合材料飞机结构设计的一个非常重要的参数。本文通过分析常用的目视检测方法和飞机结构冲击能量统计结果,从凹坑深度和冲击能量截止值两方面定义了目视勉强可见损伤;根据民机设计兼顾安全性和经济性的特点,作者提出压缩设计许用值中的目视勉强可见损伤应综合考虑,慎重确定。文章还研究了复合材料层压板的抗冲击性能,从工程应用角度给出了结构冲击后压缩设计许用值的确定要点,即用小试样的冲击后压缩试验结果推导的基准系数和环境系数,对元件乃至典型结构件的冲击后压缩试验结果进行修正。